带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法.pdf

一种带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，能够正确控制流体的微小流量，不会引起流体流动的不稳定，实现所希望的阀特性，控制上述流体流量的节流槽具有简单的形状。在由导入流体的流入路(12)，形成了使导入的流体从始端向终端流动的主节流槽(6)的阀芯(2)，由流量调整部件在任意截面中开口的流体流出口(20)，将从此流体流出口(20)流出的流体导出的流出路(14)构成的微小流量控制装置中，在上述主节流槽(6)的始端位置在先连通地设置入口节流槽(8)，基于从在上述入口节流槽(8)及主节流槽(6)内流动的流体的运动量方程式所导出的关系式，以发挥所希望的流动阻力的方式决定入口节流槽(8)的尺寸。

1.  一种带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：所述微小流量控制装置由以下部件构成：导入流体的流入路；形成了使从此流入路导入的流体从始端向终端流动的主节流槽的阀芯；能够将此主节流槽封闭至任意的位置的流量调整部件；由此流量调整部件在上述主节流槽的任意截面中开口的流体流出口；将从此流体流出口流出的流体导出的流出路，在此微小流量控制装置中，在上述主节流槽的始端位置在先连通地设置入口节流槽，基于从在上述入口节流槽及主节流槽内流动的流体的运动量方程式所导出的关系式，以发挥所希望的流动阻力的方式决定入口节流槽的尺寸。

2.  根据权利要求1所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：以在上述主节流槽的截面积从始端向终端单调地减小时，随着上述流体流出口的位置从始端向终端移动，从上述流体流出口流出的流体的流量单调地减小的方式，决定上述入口节流槽的尺寸。

3.  根据权利要求1或2所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：上述流体的运动量方程式由
uρ(du/dz)+(λ/D_H)(1/2)u²ρ+dP/dz＝0
(这里，u为流速，ρ为密度，z为流体的流动方向坐标，λ为摩擦系数，D_H为节流槽截面积的等效直径，P为压力)表示。

4.  根据权利要求3所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：上述运动量方程式是基于
u＝G/(ρA)及λ＝64μA/(GD_H)
(这里，G为质量流量，ρ为流体的密度，A为流体流出口的截面积，μ为流体的粘性系数)演算的。

5.  根据权利要求4所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：设上述主节流槽的终端的位置为L＝0，流体流出口的位置为L＝L，始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，L^＊＝1时的(dG^＊/dL^＊)的值为此时，入口节流槽的临界长度L_EC由
LEC=L0/(dG*/dL*)L*=1]]>给出。

6.  根据权利要求5所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：在上述流体为非压缩性流体，主节流槽的任意截面的形状相互为相似形时，将相对于阀特性为由G^＊＝L^＊表示的线性型的临界长度L_EC作为
L_EC＝L₀。

7.  根据权利要求4所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：设上述主节流槽的终端的位置为L＝0，流体流出口的位置为L＝L，始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，上述主节流槽的任意截面的形状相互为非相似形，阀特性为线性型，此时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(dG^＊/dL^＊)给出。

8.  根据权利要求5或7所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：在阀特性为由
G^＊＝G₀^＊+(1-G₀^＊)L^＊
(这里，G₀^＊为L^＊＝0时的G^＊的值)表示的线性型，由G₀^＊＝1/R_A(1≤R_A≤∞)表示时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(1-1/R_A)给出。

9.  根据权利要求5或7所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：在阀特性为由
G*=G0*(1-L*)]]>
(这里，G₀^＊为L^＊＝0时的G^＊的值)表示的等百分比型，由G₀^＊＝1/R_A(1≤R_A≤∞)表示时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/lnR_A给出。

10.  根据权利要求1至4中的任一项所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：所述的带入口节流槽的微小流量控制装置具备上述入口节流槽的截面积向上述主节流槽的始端位置单调地增加的入口节流槽。

11.  根据权利要求10所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：上述入口节流槽的截面积A_E(z)沿流动方向坐标z线型地增加，上述截面积A_E(z)由
A_E(z)＝A_EQ+{(A_E0-A_EQ)/L_EQ}·z
(这里，A_EQ为入口节流槽的始端截面积，A_E0为与上述主节流槽的始端位置相接的入口节流槽的终端截面积、L_EQ为入口节流槽的长度，z为流体的流动方向坐标)给出。

12.  根据权利要求11所述的带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，其特征在于：具有在下述条件下得到的下述的入口节流槽的长度
L_EQ＝(A_EQ/A_E0){L₀/(1-G₀^＊)}
＝(A_EQ/A_E0){L₀/(1-1/R_A)}
所述条件为：设上述主节流槽的终端的位置为L＝0、始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝0时的流量为G₀、流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，G₀^＊＝G₀/G_M，R_A＝1/G₀^＊，上述入口节流槽内的摩擦压力下降被作为取与具有上述临界长度L_EC的同样的截面积的入口节流槽所呈现的摩擦压力下降等效的大小的下降。

带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种控制液体、气体的流量的流量控制装置，更详细地说，涉及控制微尺寸等极微小尺寸的流路·流体动作环境·反应器等中的流体(液体、气体)的微小流量的微小流量控制装置的设计方法。
背景技术
[0002]近年，化学反应系统的微小化及集成化作为在合成化学、分析化学、半导体产业及生物工程产业中的新的技术课题引人注目，可以认为在免疫分析系统、环境分析系统、细胞生化学实验系统、化学气相沉积系统及合成化学实验系统等化学反应控制的高精度化及效率化中，发挥重要的作用。在这样的技术趋势中，正要推进在反应容积从纳升到微升的细微空间中的化学反应，即所谓以微反应器为对象，以提高反应收率、缩短反应时间、减轻环境负荷等为目的的新的研究开发。就向这样的细微空间供给的液体或者气体而言，在现有的技术中没有的微小且正确的流量控制不可或缺。
[0003]以往，作为在流体的微小流量调整中使用的阀的形式，通常使用针阀式。针阀因为在开放阀后流量急剧增大，所以，难以作为对向上述的细微空间供给的流量例如就液体而言最大流量为10mL/min～1mL/min，就气体而言为1～0.01sccm的微小流量进行调整的机构使用，因此，需要进行适合这样的目的的新的微小流量控制技术的开发。
[0004]作为与针阀方式不同的方式的微小流量控制阀的在先技术，公开发表了日本特开2001-187977号(专利文献1)及日本特开2003-278934号(专利文献2)。上述在先技术的特征都是将控制流体的流量的节流槽配置成圆弧状的形状。
专利文献1：日本特开2001-187977号公报
专利文献2：日本特开2003-278934号公报
发明内容
发明所要解决的课题
[0005]图21是专利文献1记载的以往的流量控制阀的组装分解立体图。阀主体以中心轴Z为中心，由阀座110和阀芯103构成，在阀座110和阀芯103之间配置了形成节流槽104的金属阀102。在阀座110上设置了出口流路114，在阀芯103上形成了入口流路用槽部103a。流体经形成在阀芯110上的入口流路用槽部103a，被导入到形成在金属阀102上的节流槽104，由位于阀座110的出口流路114的以轴Z为中心的旋转角度控制流量，从形成在阀座上的L字状的出口流路114导向阀出口114a。此阀座110的旋转由配置在上部的步进马达进行。
[0006]图22是形成在图21的金属阀102上的节流槽104的俯视图。以Z轴为中心，在半径r的圆弧上形成节流槽104，深度h为一定，宽度W具有前端部最大，随着趋近后端部逐渐变得狭窄的形状。在节流槽104的始端位置形成了与入口流路用槽部103a(图23)连通的贯通孔113。从此贯通孔113导入的流体的流量由形成在阀座110上的L字状的出口流路114的以Z轴为中心的旋转角度控制。
[0007]因此，为了微小地调整流体流量，重要的是使阀座114进行微小旋转。但是，由于因旋转而产生的圆周位移量与圆半径和旋转角度的积成比例，所以，在圆半径大的情况下，旋转角度量相对地减小。虽然一般不限于针阀，在流量控制阀的情况下，如果精细地控制刚刚开阀后的极小的圆周位移量，则还需要精细地控制旋转角度，但是，在圆半径大的情况下，必须使旋转角度的调整进一步精细，仅仅这些就意味着难以进行微小流量控制。另一方面，在圆半径小的情况下，正确地刻设那样的圆弧状节流槽反而变得困难。因此，在圆弧状节流槽中，圆半径必然增大，出现了微小角度控制的困难性。
[0008]设节流槽104的从始端位置104a到终端位置104b的长度为L₀，设出口流路114a形成的节流槽104的从开口截面114b到节流槽的终端104b的长度为L。设开口部的长度L和其最大长度L₀的比为L^＊。L^＊在0～1的范围内变化，在阀直线移动的情况下表示升程的无因次长度(也称为相对行程)。下面，将L^＊称为无因次升程。
[0009]本发明者对为了微小流量控制装置的阀开度和流量的关系即流量特性成为所需要的特性而需要使节流槽的截面积沿流路怎样变化进行了解析，调查了因流体的物理的性质、阀的前后的压力差、节流槽的截面形状、还有在截面形状为长方形的情况下槽的高度和长宽比(纵横比)、槽的长度等各种设计参数的不同而可以在节流槽的截面积的轴方向变化中看到的特征。另外，流量调整阀的流量特性也被称为阀特性，其中有线性特性和等百分比特性，通常以赋予任意一个特性的方式设计。针对赋与了线性型的阀特性的情况，说明可以在微小流量控制装置的流量特性中看到的基本的特征。图23表示的是，在作为流体的物性值以20℃的水为基准，粘性系数为此水的10倍及20倍的情况下，为了使阀特性成为所需要的线性型而需要使节流槽的截面积在流动的方向怎样变化。
[0010]图23是在以往型微小流量控制装置中，以节流槽的全长为基准的无因次长度L^＊(若以在阀全开时，L^＊＝1的方式选取槽的长度，则L^＊相当于无因次升程)为横轴，将任意的位置的截面积和槽的入口截面积的比(无因次截面积A^＊)、和以阀的全开时的流量为基准的无因次流量Q(体积流量比)分别取为纵轴的关系图，是节流槽截面的形状为长方形，其全长L₀为10mm，高度H₀为0.5mm一定，槽的长宽比Ca在节流槽的入口为1.5的情况。
另外，取阀的入口和出口的压力差为0.001MPa(全开时的流量大约12mL/min)。通常，在线性特性及等百分比特性的任意一个中，也是若设刚刚开阀后产生的G^＊(质量流量比：在液体的情况下与Q^＊相同)的值为G^＊₀，则其倒数1/G^＊₀相当于由刚刚开阀后的流量的倍数表示该阀的流量调整能力时的大小，将它称为幅度变化范围(下面写作R_A)。在图25中，表示R_A＝20的情况。节流槽的截面积并非相对于无因次升程单调地变化，而是如图25所示，存在着成为在L^＊＝0～1之间选取最大值的曲线的情况，并成为伴随着粘度的增加，具有更加陡峭的峰值的曲线。作为一般的倾向，无因次截面积A^＊的最大值与槽的深度的减小及在槽的入口的长宽比的增加一起增大。这些情况意味着流量越小，A^＊的最大值越大。因此，在微反应器中被作为问题的10mL/min或者其以下的极微小的流量的情况下，具有即使在粘度比较低的流体中也成为具有显著的峰值的曲线这样的性质。这样的性质不仅使槽的加工困难，还存在引起与流路截面积的急剧扩大相伴的流动的剥离，使流动特性不稳定的可能性。另外，相对于使用条件的变化而言，将导致阀特性脱离了线性特性型的流量变化。以上的性质在阀特性为等百分比特性的情况下同样地显现，有可能成为问题。
[0011]另一方面，在日本特开2003-278934号(专利文献2)中记载的电动流量控制阀由上部阀和下部阀构成，通过上部阀的开闭，向下部阀附加流体压力，提高了阀的密闭性。但是，由于与专利文献1记载的电动流量控制阀机械地相同，所以，具有引起与流路截面积的急剧扩大相伴的流体的流动的剥离，使流动特性不稳定等上述问题。本发明者为了解决此问题而专心研究的结果是，设想对节流槽的前段赋与流动阻力，基于流体力学理论，导出设计赋与此流动阻力的节流槽的构造的方法，完成了本发明。
[0012]本发明的目的是为了稳定且正确地控制流体的微小流量，不会引起可以在图23中看到的那样的由于形成流动的急剧扩大部导致的流动的不稳定，实现所需要的阀特性。即，提供一种通过将发挥适当的大小的流动阻力的入口节流槽附设在主节流槽的入口侧，能够在使主节流槽的截面积在流动方向单调地变化这样的条件下，实现所需要的阀特性的微小流量控制装置的设计方法。
为了解决课题的手段
[0013]本发明是为了解决上述课题而做出的，本发明的第一方式是一种带入口节流槽的微小流量控制装置的设计方法，所述微小流量控制装置由以下部件构成：导入流体的流入路；形成了使从此流入路导入的流体从始端向终端流动的主节流槽的阀芯；能够将此主节流槽封闭至任意的位置的流量调整部件；由此流量调整部件在上述主节流槽的任意截面中开口的流体流出口；将从此流体流出口流出的流体导出的流出路，在此微小流量控制装置中，在上述主节流槽的始端位置在先连通地设置入口节流槽，基于从在上述入口节流槽及主节流槽内流动的流体的运动量方程式所导出的关系式，以发挥所希望的流动阻力的方式决定入口节流槽的尺寸。
[0014]本发明的第二方式是，在上述第一方式中，以在上述主节流槽的截面积从始端向终端单调地减小时，随着上述流体流出口的位置从始端向终端移动，从上述流体流出口流出的流体的流量单调地减小的方式，决定上述入口节流槽的尺寸。
[0015]本发明的第三方式是，在上述第一或第二方式中，上述流体的运动量方程式由
uρ(du/dz)+(λ/D_H)(1/2)u²ρ+dP/dz＝0
(这里，u为流速，ρ为密度，z为流体的流动方向坐标，λ为摩擦系数，D_H为节流槽截面积的等效直径，P为压力)表示。
[0016]本发明的第四方式是，在上述第三方式中，上述运动量方程式是基于
u＝G/(ρA)及λ＝64μA/(GD_H)
(这里，G为质量流量，ρ为流体的密度，A为流体流出口的截面积，μ为流体的粘性系数)演算的。
[0017]本发明的第五方式是，在上述第四方式中，设上述主节流槽的终端的位置为L＝0，流体流出口的位置为L＝L，始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，L^＊＝1时的(dG^＊/dL^＊)的值为(dG*/dL*)L*=1]]>，此时，入口节流槽的临界长度L_EC由LEC=L0/(dG*/dL*)L*=1]]>给出。
[0018]本发明的第六方式是，在上述第五方式中，在上述流体为非压缩性流体，主节流槽的任意截面的形状相互为相似形时，将相对于阀特性为由G^＊＝L^＊表示的线性型的临界长度L_EC作为
L_EC＝L₀。
[0019]本发明的第七方式是，在上述第四方式中，设上述主节流槽的终端的位置为L＝0，流体流出口的位置为L＝L，始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，上述主节流槽的任意截面的形状相互为非相似形，阀特性为线性型，此时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(dG^＊/dL^＊)给出。
[0020]本发明的第八方式是，在上述第五或第七方式中，在阀特性为由
G^＊＝G₀^＊+(1-G₀^＊)L^＊
(这里，G₀^＊为L^＊＝0时的G^＊的值)表示的线性型，由G₀^＊＝1/R_A(1≤R_A≤∞)表示时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(1-1/R_A)给出。
[0021]本发明的第九方式是，在上述第五或第七方式中，在阀特性为由
G*=G0*(1-L*)]]>
(这里，G₀^＊为L^＊＝0时的G^＊的值)表示的等百分比型，由G₀^＊＝1/R_A(1≤R_A≤∞)表示时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/lnR_A给出。
[0022]本发明的第十方式是，在上述第一至第四的任意一个方式中，所述的带入口节流槽的微小流量控制装置具备上述入口节流槽的截面积向上述主节流槽的始端位置单调地增加的入口节流槽。
[0023]本发明的第十一方式是，在上述第十方式中，上述入口节流槽的截面积A_E(z)沿流动方向坐标z线型地增加，上述截面积A_E(z)由
A_E(z)＝A_EQ+{(A_E0-A_EQ)/L_EQ}·z
(这里，A_EQ为入口节流槽的始端截面积，A_E0为与上述主节流槽的始端位置相接的入口节流槽的终端截面积、L_EQ为入口节流槽的长度，z为流体的流动方向坐标)给出。
[0024]本发明的第十二方式是，在上述第十一方式中，具有在下述条件下得到的下述的入口节流槽的长度
L_EQ＝(A_EQ/A_E0){L₀/(1-G₀^＊)}
＝(A_EQ/A_E0){L₀/(1-1/R_A)}
所述条件为：设上述主节流槽的终端的位置为L＝0、始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝0时的流量为G₀、流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，G₀^＊＝G₀/G_M，R_A＝1/G₀^＊，上述入口节流槽内的摩擦压力下降被作为取与具有上述临界长度L_EC的同样的截面积的入口节流槽所呈现的摩擦压力下降等效的大小的下降。
发明的效果
[0025]根据本发明的第一方式，因为在先连通地设置在微小流量控制装置中的主节流槽的始端位置的入口节流槽的尺寸基于从在节流槽内流动的流体的运动量方程式导出的关系式决定，所以，通过配设由有关本发明的设计方法设计的入口节流槽，能够决定具有单纯的构造的实现所需要的阀特性的主节流槽截面的尺寸。即，因为基于上述关系式决定发挥适合于所希望的阀特性的流动阻力的入口节流槽的尺寸，所以，不需要为了实现所需要的阀特性而使主节流槽的截面积在轴方向急剧或者微妙地变化，就能够决定在轴方向单调地变化的主节流槽的截面积的尺寸。另外，决定上述入口节流槽的尺寸的关系式，能够在赋与所需要的阀特性这样的条件下从上述运动量方程式导出。另外，通过配设由有关本发明的设计方法设计的入口节流槽，能够由具备了具有单纯的构造的主节流槽的微小流量控制装置简单地进行高精度的微小流量的控制。进而，因为上述主节流槽具有单纯的构造，所以，能够容易地制造高精度的微小流量控制装置，能够降低微小流量控制装置的制造成本。
[0026]根据本发明的第二方式，能够由形成了截面积从始端向终端单调地减小的主节流槽的微小流量控制装置高精度地调整上述流量。如上所述，虽然在以往的微小流量控制装置中，为了通过移动流量调整部件来实现流量的单调减小，需要使主节流槽的始端附近急剧地缩窄，但是，通过连通地设置有关本发明的入口节流槽，能够由截面积单调变化的主节流槽实现所需要的流量特性。上述截面积单调地减小的主节流槽容易形成在上述阀芯上，能够以高精度加工所设计的主节流槽的形状。因此，能够提供高精度的微小流量控制装置，同时，能够显著地提高制作上的成品率。
[0027]根据本发明的第三方式，因为作为上述流体的运动量方程式适用
uρ(du/dz)+(λ/D_H)(1/2)u²ρ+dP/dz＝0    ......(1)
(这里，u为流速，ρ为密度，z为流体的流动方向坐标，λ为摩擦系数，D_H为节流槽截面积的等效直径，P为压力)，所以能够导出上述关系式。这里，相对于具有任意的截面形状的节流槽而言，使用由D_H＝4A/U定义的等效直径D_H。
[0028]根据本发明的第四方式，因为将流速u表示为
u＝G/(ρA)    ...........................(2)
所以，上述关系式能够将节流槽的截面积A及质量流量G作为变量或者参数包含在内，能够明确表示所希望的阀特性和入口节流槽的尺寸的关系。进而，通过将上述节流槽内的流动看作层流，上述摩擦系数λ仅依赖于流体的雷诺数Re，
λ＝64/Re    .................................(3)
这里，雷诺数由下式定义。
Re＝D_Hu/(μ/ρ)    .....................(4)
因此，因为
λ＝64μA/(GD_H)    .....................(5)
所以，能够容易地导出上述摩擦系数λ。
[0029]根据本发明的第五方式，设上述主节流槽的终端的位置为L＝0、流体流出口的位置为L＝L、始端的位置为L＝L₀、上述L＝L时的主节流槽的截面积为A，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M、流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，L^＊＝1时的(dG^＊/dL^＊)的值为(dG^＊/dL)L^＊＝1，此时，入口节流槽的临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(dG^＊/dL)L^＊＝1    .....................(6)
给出，在所希望的阀特性下，通过解出上述运动量方程式，能够决定主节流槽的无因次截面积A^＊(＝A/A_E)。这样地得到的A^＊在L^＊＝1的附近成为G^＊＝A^＊，进而，A^＊具有在轴方向单调地变化的这样的特征。这样的设计手法，无论流体有无压缩性，节流槽的截面形状是否在轴方向为相似形，阀特性是线性型或是等百分比型，都可以适用。
[0030]根据本发明的第六方式，因为在上述流体为非压缩性流体，主节流槽的任意截面的形状相互为相似形时，将相对于阀特性为由G^＊＝L^＊表示的线性型而言的临界长度L_EC作为
L_EC＝L₀    .............................................(7)
给出，A^＊＝L^＊，所以能够实现成为G^＊＝L^＊的阀特性。若对由临界长度L_EC被设定成L_EC＝L₀的入口节流槽和与之连通的主节流槽构成的流路适用上述运动量方程式，则作为阀特性和主节流槽的无因次截面积A^＊的关系，导出G^＊＝A^＊＝L^＊。因此，若将上述入口节流槽设定成L_EC＝L₀，则通过将上述主节流槽的截面的尺寸以A^＊＝L^＊的方式决定，能够对上述微小流量控制装置赋与流体G为流体流出口的位置L的常数倍的单纯的阀特性，能够容易地进行高精度的微小流量的控制。
[0031]根据本发明的第七方式，因为设上述主节流槽的终端的位置为L＝0，流体流出口的位置为L＝L，始端的位置为L＝L₀，流体流出口位于L＝L₀时的流量为G_M，流体流出口位于L＝L时的流量为G，L^＊＝L/L₀，G^＊＝G/G_M，上述主节流槽的任意截面的形状相互为非相似形，阀特性为线性型，此时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(dG^＊/dL^＊)    ...........................(8)
给出，所以通过在所希望的阀特性下解出上述运动量方程式，能够决定在轴方向单调地变化的主节流槽的无因次截面积A^＊。
[0032]根据本发明的第八方式，因为在阀特性为由
G^＊＝G₀^＊+(1-G₀^＊)L^＊    ...........................(9)
表示的线性型时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/(1-1/R_A)    ...........................(10)
给出，所以，若给出上述主节流槽的长度L₀及幅度变化范围R_A，则能够简单地决定赋与上述线性型的阀特性的入口节流槽的临界长度。无因次流量G^＊₀相当于将阀的流量调整能力由刚刚开阀后的流量的倍数表示的大小，幅度变化范围R_A由G^＊₀的倒数1/G^＊₀定义，是带有在全闭状态(L^＊＝O)附近的阀特性的特征的量。
[0033]根据本发明的第九方式，因为在阀特性为由
G*=G0*(1-L*)..................(11)]]>
表示的等百分比型，G₀^＊为L^＊＝0时的G^＊的值由G₀^＊＝1/R_A(1≤R_A≤∞)表示时，上述临界长度L_EC由
L_EC＝L₀/lnR_A    ....................................(12)
给出，所以，能够决定实现等百分比型的阀特性的入口节流槽的长度。
[0034]根据本发明的第十方式，因为在上述入口节流槽的终端位置的截面积相同的情况下，通过使入口节流槽的截面积向上述主节流槽的始端位置单调地增加，即，通过使之向入口节流槽的入口单调地减小，能够增大由入口节流槽产生的流动阻力，所以，能够缩短上述入口节流槽的长度。因此，能够使微小流量控制装置紧凑。
[0035]根据本发明的第十一方式，因为上述入口节流槽的截面积沿流动方向坐标z线型地增加，上述截面积由
A_E(z)＝A_EQ+{(A_E0-A_EQ)/L_EQ}·z    .........(13)
给出，所以，能够在增大由上述入口节流槽产生的流动阻力的同时，容易地估算此入口节流槽中的流体的压力损失。即，能够容易地决定给与所希望的阀特性的入口节流槽的尺寸。
[0036]根据本发明的第十二方式，因为上述入口节流槽的长度用
L_EQ＝(A_EQ/A_E0)(L₀/(1-G₀^＊))
＝(A_EQ/A_E0)(L₀/(1-1/R_A^＊))    .........(14)
给出，所以，能够容易地决定对微小流量控制装置赋与线性型的阀特性的入口节流槽的长度。
附图说明
[0037]
图1是有关本发明的微小流量控制装置的概略说明图。
图2是有关本发明的微小流量控制装置的概略剖视图。
图3是有关本发明的微小流量控制装置位于全开状态的情况下的概略剖视图。
图4是有关本发明的微小流量控制装置位于全闭状态的情况下的概略剖视图。
图5是有关本发明的微小流量控制装置的概略俯视图。
图6是有关本发明的节流槽的概略图。
图7是有关本发明的运动量方程式的计算过程图。
图8是有关本发明的关系式的导出过程图。
图9是非压缩流体的关系式的导出过程图。
图10是具有相似形的截面的节流槽的概略图。
图11是阀特性为线性型的情况下的临界长度的分类图。
图12是赋与了线性型的阀特性的有关本发明的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。
图13是赋与了线性型的阀特性的有关本发明的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。
图14是具有非相似形截面的节流槽的概略图。
图15是有关本发明的入口节流槽的长度被设定为准临界长度LEC的有关本发明的微小流量控制装置中的截面积A和流量Q的关系图。
图16是阀特性为等百分比(EQ)型的情况下的临界长度的分类图。
图17是赋与了等百分比型的阀特性的有关本发明的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。
图18是赋与了等百分比型的阀特性的有关本发明的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。
图19是有关本发明的具有缩短入口节流槽的节流槽的概略图。
图20是有关本发明的缩短入口节流槽的长度的导出过程图。
图21是以往的流量控制阀的组装分解立体图。
图22是形成在图21的金属阀上的节流槽的俯视图。
图23是表示在不具备入口节流槽的以往型微小流量控制装置中，流体的粘度的大小对相对于升程而言的节流槽的截面积和流量的关系的影响的关系图。
符号说明
[0038]
2：阀芯
4：节流槽
6：主节流槽
8：入口节流槽
10：流量调整滑块
10a：滑动接触位置
10b：箭头
12：流入路
14：流出路
15：流入部
16：入口节流槽的始端截面
18：主节流槽的始端端面
19：入口节流槽的终端截面
20：流体流出口
22：流出部
24：滑动范围
24a：全开位置
24b：全闭位置
26：管路
26a：微小圆柱
102：金属阀
103：阀芯
103a：入口流路用槽部
104：节流槽
110：阀座
113：贯通孔
114：出口流路
114a：阀出口
具体实施方式
为了实施发明的优选方式
[0039]图1是有关本发明的微小流量控制装置的概略说明图。微小流量控制装置的基本构造由形成了节流槽4的阀芯2和在此阀芯2的上面滑动的流量调整滑块10构成。上述节流槽4由主节流槽6和入口节流槽8构成，通过上述流量调整滑块10与阀芯的上面滑动接触，上述主节流槽4和入口节流槽8作为流路发挥功能。在上述流量调整滑块10位于阀芯2的上面的滑动接触位置10a的情况下，从流入路12流入的流体从流入部15流进入口节流槽8，经上述主节流槽6，从流体流出口20流出，从流出部22向流出路14流入。通过上述流量调整滑块10在箭头10b的方向滑动，上述主节流槽6的长度变化，流体的流量被调整。
[0040]图2是有关本发明的微小流量控制装置的概略剖视图。上述流量调整滑块10能够与阀芯2的上面滑动接触，在滑动范围24内自由地从全开位置24a移动到全闭位置24b。虽然未图示，但在微动流量控制装置上附设与设定流量相应地使上述流量调整滑块10的位置移动的驱动机构，作为此驱动机构，可以使用由步进马达、压电元件等构成的微动控制机构。
[0041]图3是有关本发明的微小流量控制装置位于全开状态的情况下的概略剖视图。在上述流量调整滑块10的端部位于上述滑动接触范围24内的全开位置24a时，上述流体流出口20的截面积20最大，最大流量从流出部22向流出路14供给。
[0042]图4是有关本发明的微小流量控制装置位于全闭状态的情况下的概略剖视图。在上述流量调整滑块10的端面位于上述滑动范围24内的全闭位置24a时，上述流出部由上述流量调整滑块完全关闭，流量为0。
[0043]图5是微小流量控制装置的概略俯视图。将上述运动量方程式(1)
uρ(du/dz)+(λ/D_H)(1/2)u²ρ+dP/dz＝0    ...(1)
(这里，u为流速，ρ为密度，z为流体的流动方向坐标，λ为摩擦系数，D_H为节流槽的等效直径，P为压力)适用于有关本发明的节流槽4。u为节流槽截面内的平均流速，ρ为密度，将流体的流动方向作为z轴(称为流动方向坐标z)。进而，上述主节流槽的长度由L₀，上述入口节流槽的长度由L_E给出，上述流量调整滑块10的位置坐标L(称为“升程”)在上述主节流槽的终端的位置为L＝0，在始端的位置为L＝L₀。另外，上述流量调整滑块10的位置由将L由L₀进行规格化的无因次升程L^＊＝L/L₀及以主节流槽的始端位置为原点由L₀进行规格化的无因次坐标ζ^＊＝1-L^＊表示。
[0044]图6是有关本发明的节流槽4的概略图。将图6所示的管路内的流体的运动量方程式(1)适用于有关本发明的节流槽内的流体。如上所述，式中的等效直径使用流路的截面积A和其周长U，由D_H＝4A/U定义，是表示作为对象的流路与直径为多少的圆管等效的代表长度。例如，在截面的形状为直径D的半圆形的情况下，由于A＝(1/2)π(D/2)²及U＝D+π(D/2)，所以，等效直径D_H为
D_H＝{(2π)^0.5/(1+π/2)}·A^0.5    .........(15)。
即使是半圆形以外的截面形状，只要是在内侧不具有复杂的表面的相似的截面形状，因为周长U有与A^0.5成比例的关系，所以，可以在式(15)中看到的DH∝A^0.5成立。
[0045]下面，从上述运动量方程式(1)导出所希望的阀特性和入口节流槽的临界长度的基本关系式。
图7是有关本发明的运动量方程式的计算过程图。将上述运动量方程式(1)作为式(1-1)再次写出。流速u，根据流体的连续条件由下式给出与质量流量G之间的关系：
u＝G/(ρA)    ...........................(2)。
相对于层流而言的摩擦系数λ由已有的以下公式表示：
λ＝64μA/(uD_H)    ...........................(5)。
若将式(2)和(5)代入上述运动量方程式(1-1)进行整理，则得到式(1-2)。
[0046]接着，将上述运动量方程式(1-2)适用于阀全开时的入口节流槽内的流动。若两边乘以ρ，设最大流量为G_M，入口节流槽的截面积A_E为一定，将上述运动量方程式(1-2)在入口节流槽的全长上进行积分，则得到式(1-3)。式(1-3)的对积分记号赋与的1和2表示流入部和流出部的状态。另外，第一项的积分的上限F(L_E)表示参数{1/(ρA)}的在入口节流槽的出口端面的值。
[0047]接着，若在上述升程L取任意的值(L＝L)时，根据给出的阀特性，与升程L对应的流量为G，对式(1-2)乘以ρ，从流入部到流出部进行积分，则得到式(1-4)。此式(1-4)的左边第二项的积分从入口节流槽整体和主节流槽入口进行到升程L。即，z的范围为0～{L_E+(L₀-L)}，能够分成0～L_E的入口区域和L_E～(L₀-L)的主区域。为了进行在此主区域中的积分，使用以主节流槽的始端位置为原点的无因次坐标ζ及上述无因次坐标ζ^＊(＝1-L^＊)。无因次坐标ζ由
ζ＝(z-L_E)/L₀    ........................(16)
定义，若将dz向dζ进行变量变换，则得到
dz＝L₀dζ    ...........................(17)。
[0048]式(1-4)的第二项被分成上述主区域(变量ζ：0～1)和入口区域(变量z：0～L_E)两个部分，得到式(1-5)。若将此式(1-5)代入式(1-4)，则得到式(1-6)。另外，由于式(1-4)的左边第一项的A是ζ的函数，所以，能够将积分的上限值写成F(ζ^＊)。即，意味着与参数{(1/ρA)}有关地从流入部1到ζ^＊进行积分。由于式(1-3)的第三项和式(1-6)的第四项相等，所以，若将它们等置，则得到式(1-7)。将此式(1-7)除以G，设G^＊＝G/G_M，则成为式(1-8)。
[0049]图8是有关本发明的关系式的导出过程图。若将上述式(1-8)对ζ^＊进行微分，则成为式(2-1)。因为无因次坐标ζ^＊为(＝1-L^＊)，所以，若将ζ^＊改写成L^＊，则得到(2-2)式。将满足此式(2-2)的左边为0的条件式(2-3)的L_E作为临界长度L_EC。此临界长度L_EC具有是适合于实现所希望的阀特性的最佳的入口节流槽的长度的意义。换言之，上述条件式(2-3)可以作为从所希望的阀特性和主节流槽的形状导出作为最佳的入口节流槽的长度的临界长度L_EC的关系式使用。因此，从上述式(2-3)，上述临界长度L_EC可以由关系式(2-4)表示。因为在关系式(2-4)中没有包含物性值，所以，不限定流体是液体还是气体，上述关系式(2-4)能够对于各种流体都适用。进而，因为在式(2-2)的左边为0时，右边也为0，所以，可以得到式(2-5)。
[0050]图9是非压缩性流体的关系式的导出过程图。式(3-1)表示图8所示的式(2-5)。在流体为液体、为非压缩性的情况下，上述式(3-1)的第一项中的积分，若流入部(1)的截面积与节流槽的截面积相比充分大，则成为式(3-2)的那样。另一方面，上述式(3-1)的第二项可以改写成式(3-3)的那样。通过将式(3-2)和式(3-3)代入式(3-1)，可以得到式(3-4)。这里，若使用无因次截面积A^＊＝A/A_E进行改写，则表示成式(3-5)的那样。因此，因为[(G^＊/A^＊2)-(1/G^＊)]的关于L^＊的微分值为0，所以，如式(3-6)所示，式(3-5)表示[(G^＊/A^＊2)-(1/G^＊)]为常数C。再有，在阀全开时，因为G^＊＝1，A^＊2＝1，所以，常数C为0。因此，在阀全开时的上述式(3-6)成为式(3-7)，可以得到非压缩性流体的关系式(3-8)。
[0051]图10是具有相似形的截面的节流槽4的概略图。如上所述，在节流槽4的截面为相似形的情况下，节流槽4的等效直径D_H与截面积A的0.5次方成比例，成为D_H∝A^0.5。即使是在象图的那样截面形状为梯形的情况下，也是仅其系数变化，作为D_H∝A^0.5的关系成立。
[0052]因此，如图9的式(3-9)所示，在式(2-4)的右边的(A_ED_HE²)/(AD_H²)成为1/A^＊2，若将式(3-9)代入式(2-4)，则可以得到在相似形截面中给出临界长度的关系式(3-10)。进而，在流体为非压缩性的情况下，因为在相似形截面的关系式(3-10)中上述非压缩性流体的关系式(3-8)成立，所以，可以得到非压缩性流体及相似形截面的关系式(3-11)。
[0053]图11是阀特性为线性型的情况下的临界长度的分类图。在上述关系式(2-4)中包含G^＊和(dG^＊/L^＊)，G^＊和L^＊的关系由所希望的阀特性决定。作为代表性的阀特性，有线性型和等百分比型，这两种阀特性中，首先详细阐述线性型的情况。
[0054]在阀特性为线性型的情况下，无因次流量G^＊由
G^＊＝G₀^＊+(1-G₀^＊)·L^＊    ...............(4-1)
给出，这里，G₀^＊为L^＊＝0的G^＊的值，与幅度变化范围R_A有下述的关系：
G₀^＊＝1/R_A    ...........................(4-2)。
在上述主节流槽的终端具有理想的形状的情况下，虽然在全闭状态(L^＊＝0)附近的流量根据阀特性连续地接近于0，但是，现实中形成这样的终端形状是不可能的。在由式子表示阀特性的情况下，将初期流量G^＊₀或者幅度变化范围R_A导入。上述线性型的阀特性使用幅度变化范围R_A，可以由
G^＊＝1/R_A+(1-1/R_A)·L^＊    ...............(4-3)
表示。若求出此式(4-3)的(dG^＊/L^＊)，则成为
(dG^＊/L^＊)＝(1-1/R_A)    ...............(4-4)。
若将式(4-3)及式(4-4)代入关系式(2-4)，则可以导出不限定流体的种类及节流槽的形状的、相对于线性型阀特性而言的临界长度的一般关系式(4-5)。
[0055]在上述主节流槽为相似形截面的情况下，若将式(3-9)、(4-3)及(4-4)代入上述关系式(2-4)，则可以得到相对于线性型阀特性而言的相似形截面中的临界长度的关系式(4-6)。进而，若限定为非压缩性流体·相似形截面的情况，则通过将式(4-4)代入上述临界长度的关系式(3-11)，能够导出相对于线性型阀特性而言的非压缩性流体·相似形截面的关系式(4-7)。另外，在非压缩性流体·相似形截面的情况下，根据上述式(3-8)及式(4-3)，相对于具有临界长度L_EC的入口节流槽而言，主节流槽的截面积具有成为
A^＊＝1/R_A+(1-1/R_A)·L^＊    ...............(4-8)
的关系。进而，在幅度变化范围无限大时，根据上述关系式(4-7)，临界长度L_EC成为
L_EC＝L₀    ........................(4-9)。
因此，如果对处理非压缩性流体的微小流量控制装置赋与线性型的阀特性，则只要将主节流槽的截面的形状做成相似形，使其长度L₀和入口节流槽的临界长度L_EC相等即可。
[0056]图12是赋与了线性型的阀特性的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。流体是粘度为1.01×10^-3Pa·s的水，流入口和流出口的压力差为0.1MPa，设主节流槽的长度L₀为10mm，截面形状具有相似的半圆形，幅度变化范围设定为无限大。即，在满足非压缩性流体·相似形截面的条件的情况下，通过使上述流量调整滑块从流体流出口的全闭状态(L^＊＝0)向全开状态(L^＊＝1)滑动，上述流量Q被设计成能够从0到最大流量线性地变化的方式。
[0057]为了达到上述的设计目的，作为入口节流槽的临界长度L_EC，使用非压缩性流体·相似形截面的情况下的式(4-7)进行算定。但是，在此情况下，因为已将幅度变化范围作为无限大，所以根据式(4-7)，上述临界长度L_EC被视为与L₀相同的长度。即，被设定为10mm。从图可以看出，通过设置具有上述临界长度的入口节流槽，仅使上述主节流槽的截面积A(□)直线性地增加，即可对微小流量控制装置赋与高精度的线性型的阀特性。
[0058]另一方面，在没有由粗线所示的入口节流槽(L_E＝0)的情况下，直到L^＊＝0.5附近，上述截面积A(粗线)伴随着上述升程L^＊的增加单调地增加。但是，为了实现上述线性型的阀特性，需要随着与全开状态(L^＊＝1)接近而进行使上述截面积A减小这样的缩小，在无因次升程L^＊＝0.7附近，具有截面积的最大值。因此，在没有入口节流槽的微小流量控制装置中，将在主节流槽存在扩大部。为了在阀芯上形成存在这样的扩大部的细微的主节流槽，需要非常高度的加工技术，同时，形成能够稳定且高精度地供给流量的节流槽非常困难。
[0059]图13是赋与了线性型的阀特性的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。流体为粘度比此前的水大约大30倍的情况(作为例子，3.16×10^-2Pa·s的变压器油)，其它的条件被设定为与图12的使用水的情况相同的值。即，上述流入口和流出口的压力差为0.1MPa，主节流槽的长度L₀为10mm，截面形状具有相似的半圆形，幅度变化范围被设定为无限大。从上述微小流量控制装置流出的流量Q也伴随着无因次升程L^＊从0到1变化而线性地增加，上述主节流槽具有线性型的阀特性。
[0060]这里，因为入口节流槽的长度L_E被设定为临界长度L_EC，在非压缩性流体·相似形截面的条件下，将幅度变化范围作为无限大，所以，根据式(4-7)，上述临界长度L_EC被设定成与L₀相同的长度的10mm。从图中可以看出，即使在使用粘度比水高一位数以上的变压器油的情况下，也通过设置具有上述临界长度的入口节流槽，由具有单纯的构造的节流槽对微小流量控制装置赋与了高精度的线性型的阀特性。
[0061]另一方面，在没有由粗线所示的入口节流槽(L_E＝0)的情况下，直到L^＊＝0.9附近，上述截面积A(粗线)伴随着上述升程L^＊的增加单调地增加。但是，随着与全开状态(L^＊＝1)接近，主节流槽的截面急剧地减小。这样的主节流槽截面的急剧的变化，与图12所示的水的情况相比，是由于变压器油的粘度大引起的(参照此后的图23)。因此，有关本发明的微小流量控制装置，因为具备被设定成上述临界长度的入口节流槽，所以不会使主节流槽的截面积急剧地变化，即使在对高粘度的流体进行流量控制的情况下，也能够赋与所希望的阀特性。
[0062]图14是具有非相似形截面的节流槽的概略图。节流槽4具有长方形的截面，其高度为一定，节流槽的宽度W朝向流动方向减小。即，流体流出口20的截面伴随着上述流量调整滑块滑动而变化成非相似形。因此，为了决定上述临界长度，必须从图13所示的上述关系式(4-5)导出。但是，在上述关系式(4-5)中，L_EC成为截面积A、等效直径D_H及无因次升程L^＊的函数，即使它与阀的开度相应地改变L_EC，或者选择了L_EC为常数那样的截面积A、等效直径D_H及无因次升程L^＊的关系，对于L_EC的值来说也留有不定性，不能唯一地决定L_EC的值。
[0063]如图12及图13所示，具备被设定为上述临界长度L_EC的入口节流槽的意义在于，能够在L^＊＝1的附近，在节流槽的截面积急剧扩大的情况下避免上述情况。因此，在上述主节流槽截面为非相似形的情况下，设L^＊＝1，其它的参数也取L^＊＝1时的值，将从上述关系式(4-5)得到的长度称为准临界长度L_EC，根据图11所示的准临界长度L_EC＝L₀/(1-1/R_A)，决定入口节流槽的长度。
[0064]图15是有关本发明的入口节流槽的长度被设定为准临界长度L_EC的微小流量控制装置中的截面积A和流量Q的关系图。流体是粘度为3.16×10^-2Pa·s的变压器油，流入口和流出口的压力差为0.1MPa，主节流槽的长度L₀为10mm，准临界长度L_EC＝10.5mm，最大流量Q_M＝456ml/m，截面形状具有图14所示的非相似的长方形，幅度变化范围R_A为20。进而，上述主节流槽以流量Q为线性型(图中实线)的方式设定其阀特性。
[0065]在上述入口节流槽的长度被设定为准临界长度L_EC的情况下(Δ)，截面积A相对于升程L^＊而言单调增加。因此，通过将入口节流槽的长度设定为上述准临界长度，对流体施加适当的流动阻力，避免了使节流槽急剧扩大的必要性。另一方面，在没有入口节流槽(L_E＝0)的情况下(□)，直到L^＊＝0.5附近，虽然伴随着上述升程L^＊的增加，主节流槽的截面积A单调地增加，但是，随着与全开状态(L^＊＝1)接近，主节流槽的截面积减小。因此，使用全开状态(L^＊＝1)中的准临界长度，在上述主节流槽为非相似形的情况下，在决定上述入口节流槽的长度方面有效。
[0066]图16是阀特性为等百分比(EQ)型的情况下的临界长度的分类图。接着，作为所希望的阀特性，详细阐述等百分比型的情况。在阀特性为等百分比型的情况下，无因次流量G^＊由
G*=G0*1-L*=(1/RA)1-L*...........(4-10)]]>
给出，若从此式(4-10)求(dG^＊/L^＊)，则成为
(dG^＊/L^＊)＝-G^＊·lnG₀^＊＝G^＊lnR_A    .........(4-11)。
若将此式(4-11)代入式(2-4)，则导出相对于没有限定流体的种类及节流槽的形状的、图16所示的等百分比型阀特性而言的临界长度的一般关系式(4-12)。由与线性型同样的方法，可以得到图16的关系式(4-13)及(4-14)。
[0067]在阀特性为等百分比型时，L_EC成为在一般形、非压缩性流体和/或相似形的所有情况下的临界长度L_EC为L^＊的函数。因此，即使在等百分比型阀特性中，也将全开时(L^＊＝1)时的L_EC作为准临界长度使用。等百分比型中的准临界长度L_EC成为
L_EC＝L₀/lnR_A    .....................(4-15)。
采用上述入口节流槽的准临界长度，无论截面形状是相似·非相似，也无论流体有无非压缩性·压缩性，都是切合实际且有效的。
[0068]图17是赋与了等百分比型的阀特性的微小流量控制装置中的主节流槽的截面积A和流量Q的关系图。流体是粘度为0.0316Pa·s的变压器油，流入口和流出口的压力差为0.1MPa，入口节流槽的临界长度L_EC＝3.34mm，将主节流槽的长度L₀作为10mm。进而，截面形状具有相似的半圆形，幅度变化范围R_A被设定为20。
[0069]根据等百分比型的阀特性，流量Q如式(4-10)所示，伴随着无因次升程L^＊的增加，其增加的比例呈指数函数性地逐渐增大。根据等百分比型阀特性中的准临界长度的关系式(4-15)，决定入口节流槽的长度。在设置了此入口节流槽的情况下，上述主节流槽的截面积A(□)单调地增加，由具有单纯的构造的节流槽对微小流量控制装置赋与了等百分比型的阀特性。
[0070]另一方面，在没有由粗线所示的入口节流槽(L_E＝0)的情况下，直到L^＊＝0.9附近，上述截面积A(粗线)伴随着上述升程L^＊的增加单调地增加。但是，上述截面积A在L^＊＝0.95附近取最大值，然后截面积急剧减小。即，需要使上述主节流槽的截面积从始端位置开始急剧扩大。在节流槽形成这样的急剧扩大部，需要非常高度的加工技术。
[0071]图18是赋与了等百分比型的阀特性的微小流量控制装置中的主节流槽的无因次截面积A^＊和无因次流量Q^＊的关系图。此图表示相对于上述入口节流槽的长度为由式(4-15)决定的准临界长度L_EC的情况(◇：L_EC＝3.34mm)，其长度比准临界长度L_EC短的情况(■：L_E＝2.23mm)及其长度比准临界长度L_EC长的情况(●：L_E＝5.01mm)的这些不同的入口节流槽的长度而言的无因次截面积A^＊和无因次流量Q^＊的关系。即，调查了在具有准临界长度和其1.5分之一及1.5倍的长度的入口节流槽中产生怎样的不同。流体是粘度为0.0316Pa·s的变压器油，流入口和流出口的压力差为0.1MPa，设主节流槽的长度L₀为10mm，幅度变化范围R_A为20。从图中可以看出，即使配设了上述入口节流槽，在其长度与由式(4-15)决定的临界长度不同的情况下，无因次截面积A^＊未成为单调的变化，在比临界长度短的情况下，需要使主节流槽的截面积A^＊急剧扩大，而在比临界长度长的情况下，必须急剧地缩小上述截面积A^＊。
[0072]图19是具有缩短入口节流槽8的节流槽4的概略图。在上述入口节流槽8中，通过以始端截面16的截面积A_EQ比终端截面19的截面积A_E小的方式将上述入口节流槽形成为锥状，使由此入口节流槽8产生的流动阻力增大，使上述入口节流槽8的长度缩短。设此缩短入口节流槽的长度为L_EQ。
[0073]下面，根据长度L_EC，对为了在上述缩短入口节流槽8中产生与具有同样的截面积AE的入口节流槽同等的摩擦压力下降ΔPEF所需要的截面积AEQ和长度LEQ的决定方法，以截面形状是半圆形的情况为例进行说明。
图20是有关本发明的缩短入口节流槽的长度的导出过程图。在具有截面积A的入口节流槽的微小区间dz中的摩擦压力下降dP成为图20的式(5-1)的那样。这里，若作为流速u，摩擦系数λ、等效直径D_H，将已出现的下述关系式：
u＝G/(ρA)    ...........................(2)
λ＝64μA/(uD_H)    .....................(5)
D_H＝{(2π)^0.5/(1+π/2)}·A^0.5    ...(15)
代入式(5-1)，则可以得到式(5-2)。若将此式(5-2)在入口节流槽的全长上进行积分，则可以得到表示入口节流槽中的摩擦压力下降ΔP_EQ的式(5-3)。这里，若截面积A相对于流动方向坐标z线型地变化，则上述截面积A由式(5-4)给出，若根据将此式微分的式(5-5)，将式(5-3)进行变量变换，实行积分，则可以得到最终的摩擦压力下降式(5-6)。同样，可以得到给出入口节流槽的截面积为一定的情况下的摩擦压力下降ΔP_E的式(5-7)。通过使此压力下降ΔP_E和先前求出的ΔP_EQ等值，从式(5-6)和式(5-7)可以得到给出缩短入口节流槽的长度的式(5-8)。从此式(5-8)可以看出，通过使入口节流槽的截面积向始端截面地缩小，与截面积A_E为一定时相比，能够将入口节流槽的长度仅缩短(A_EQ/A_E)倍。
[0074]本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的技术思想的范围内的各种变形例、设计变更等当然也被包含在其技术范围内。
产业上的利用可能性
[0075]根据有关本发明的微小流量控制装置的设计方法，能够在所使用的免疫分析系统、环境分析系统、细胞生化学实验系统、化学气相沉积系统及合成化学实验系统等中开展近年在合成化学、分析化学、半导体产业及生物技术产业中引人注目的微化学工程技术时设计所需要的高精度的微小流量控制装置。进而，通过提高这些系统中的反应收率、缩短反应时间、减轻环境负荷等，能够使化学反应控制显著地高精度化及效率化。另外，能够实现在现有的技术中不可能的微小且正确的流量控制所需要的化学反应系统的微小化及集成化。