JP4169542B2 - 流体の粘度を決定する装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、それぞれのカテゴリにおける独立請求項の前提部分に従い流体の粘度を決定する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニュートンの摩擦則は、例えば気体内または流動している液体内のような単純な層流の場合について、流動している流体内における隣接層間の内部摩擦の強さを記述している。内部摩擦力Ｆ_Rは、流動している流体内でそのような層に作用するものであり、その作用面積Ａや同作用面の隣接層に関する速度勾配ｄｖ／ｄｘ（ｖ：ある場所ｘにおける流動中の流体の速度）に比例する。層流の場合、周知の単純な関係Ｆ_R＝η・Ａ・ｄｖ／ｄｘが適用される。ここで絶対粘度ηは流体の粘性の指標として理解されるべきものである。絶対粘度についての正規の国際単位系の単位Ｐａ・ｓに加えて、１ポイズ＝０．１Ｐａ・ｓなる単位ポイズも未だ非常によく用いられている。絶対粘度ηに加えて、流体の密度に対して規準化したいわゆる動粘度ν＝η／ρ（ρ：流体の密度）は、流体の重要な特性を表わす。本願の枠内において粘度とは常に通常の言葉の用法に従って「絶対粘度η」のこととして理解されるべきである。
【０００３】
上述したように、粘度は一般に流体の内部摩擦Ｆ_Rの計測によって決定される。この目的で、既知の形状のサンプルを静的または流動している流体内で動かし、サンプルを駆動する動力の計測可能な割合を流体内の内部摩擦Ｆ_Rによる動力損失として熱に変換させる。最終的には、多分形状要因や更なる較正パラメータなど他のパラメータを考慮しつつ、粘度ηおよび／または動粘度νを計測された動力損失から求めることが可能である。
【０００４】
実際上は、既知形状のサンプルは、電気的駆動により、静的または流動している流体内で回転され、粘度ηが、その駆動装置の動力損失の計測値から求められる。サンプルの特定形状は、たとえば良く知られた粘度の流体について較正用計測を行うことにより考慮に入れられる。また、粘度は流体の温度または圧力のような物理的状態量にも依存し、通常は例えば密度のような更なる物理的特性の関数として考察すべきであるものであることが、計算に入れられなければならない。
【０００５】
先述した原則または関連原則に従いつつ上記の諸制約を勘案の上で動作する粘度計が、多数の異なる変形形態として長期にわたって知られてきた。粘度計の回転ドライブによって消費される動力から流体の粘度を求めることを可能にするためには、液体内の内部摩擦のみによる全動力損失のうちの割合を、可能な限り正確に知らなければならない。これは特に、例えば回転ドライブ自体のベアリング内やドライブ・ロッドのフィードスルーのシール部などで発生する全摩擦損失を非常に正確に知らなければならないことを意味する。しかし、他ならぬこれらのパラメータは、従来の粘度計用の電気式ドライブ・システムにおいては通常充分には知られていない。さらに、先述した望ましくない追加的な摩擦損失が、粘度計を運転しなければならない諸時点の運転パラメータに依存することが有り得る。例えば調査すべき流体の温度または密度ならびに調査すべき実際の粘度（低い粘度なのか高い粘度かとか、気体か液体かとか）にさえ依存することが有り得る。この理由で、既知の粘度計の測定精度には不満が生じることが多く、すなわち、多大なる追加の努力を払うことによって測定装置を較正しなければならず、その較正は運転パラメータの変更毎に再度行われなければならずおよび／または異なる諸物理的特性を備える或る流体への測定変換についてもそうである。この事情は特に、その変更が計測の最中に起こる場合、すなわち、或るプロセスの粘度が「インライン」で決定されなければならない場合、正確な粘度決定の障害となりまたは妨げとなる。例として、例えば反応容器中の（液状またはガス状の環境での）遅い化学反応の時間的進行は、ほとんど大抵の場合は、既知の粘度計による時間依存性な粘度計測値によっては不十分な精度でしか観察できない。非均質な流体内の粘度は、また、場所に大いに依存することが有り得る。例として、例えば反応容器内の流体の混合は、基本的には粘度によって制御可能なはずだが、但し、これは既知の粘度計では多大な努力および／または大きな測定誤差の容認を得てのみ可能である。
【０００６】
化学的または物理的に攻撃的な流体の粘度を求める場合には、特別な問題が生じ得る。例として、例えば固体粒子を含有する特殊な液体の場合、摩耗により、例えばドライブ・ロッドのフィードスルーのシールなど、密閉部材に相当な損耗が生じ得る。酸やアルカリ液のように駆動部部材の密封リングを永久的に損耗する可能性のある化学的に攻撃的な液体についても同様のことが当てはまる。
【０００７】
実際、粘度ηの常時監視が重要な役割を演じることが可能な無数のプロセスや方法が見出される。例えば、集積回路製造においてはウェハに明確な厚さのフォトレジスト層が塗布されなければならない。通常、この目的で、ウェハは既定速度で高速回転され、フォトレジストが供給装置によって回転中のウェハに塗布される。これに関連して、塗布されたフォトレジストの大部分は、ウェハの回転によって振り飛ばされる。その結果としてのウェハ上の層厚は、とりわけ、塗布すべきフォトレジストの粘度ηに依存するところが実質的に大きい。したがって、塗布前にフォトレジストの粘度ηを連続的に制御することおよび、場合によっては１つまたは複数の追加的成分を混入して修正することが有利である。すなわち、粘度ηをインラインで且つ高精度で監視すべきである。さらに挙げておくべき重要例としては、いわゆるＣＭＰプロセス（化学的−機械的研磨）と呼ばれる化学的−物理的研磨プロセスの一例があり、これも同様に半導体産業において広い用途を有している。このプロセスでは、スラリーとして知られる懸濁液が研磨液として通常使用され、その中には非常に細かい固体粒子が含有されており、懸濁液内のそれらの均一な分布についての監視が、粘度ηを測定することによって特に簡単に行える。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、特にインラインすなわちプロセスの最中で粘度について可能な最高精度の決定を行うことができるように、回転するサンプルを用いて流体の粘度を測定する新たな装置を提供することにある。また、そのような装置の動作のための方法も提供されるべきである。
【０００９】
装置および技術的方法の観点でこれらの目的を満たすものである本発明の諸目的は、それぞれのカテゴリーの独立的請求項の要点によって特徴づけられる。
【００１０】
それぞれの従属的請求項は、本発明の特に有利な実施形態に関連する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
したがって本発明によれば、流体の粘度を決定するための装置および方法が提供される。その装置は、ステータ巻線を有するステータと流体内で回転可能な回転体とを備えた電気式回転ドライブを含む。回転体は、回転ドライブの回転子として設計され、ステータに対し非接触式で磁気的に回転軸を軸支される。
【００１２】
本発明では、回転体の駆動を、ベアリング摩擦等によるいかなる摩擦損失とも無縁とすることが重要である。これは、本発明に従う装置の電気式回転ドライブの回転子として設計される回転体が、ステータに対し非接触式で磁気的に軸支されることにより実現される。したがって回転子は、回転ドライブの他の全構成部材から機械的に完全に分離している。ゆえに、流体内のサンプルの回転のために付与すべき電気的駆動出力は、実質的には流体の粘度のみに依存し、追加的な損失によっては決定されない。運転中において回転体によって油圧ポンプ作用が何ら全く生じない場合は、抵抗損という例外もあるが無視可能であり、回転体が中で回転する流体の内部摩擦のみによって、すなわち流体の粘度のみによって静的運転における回転ドライブのトルク形成電流が決定される。
【００１３】
流体の粘度を決定するための本発明に従う装置用の電気式回転ドライブは、ＥＰ０８１９３３０号またはＥＰ１０６３７５３号に従ってステータおよび磁気的に軸支される回転子を備えて無軸受モータとして設計され、ドライブおよび回転子のための磁気的支持部が、無軸受モータの原理に従ってユニットを形成することが好ましい。ステータは、回転子にトルクを生じさせる駆動用磁場を発生するためのストランド（より線）を備えた駆動巻線を有する。ちなみに駆動用磁場はトルク形成電流によって制御される。また、ステータは、制御用磁場を発生するための少なくとも１つのストランドを含む制御巻線を有し、これにより、ステータに対する回転子の位置を制御用電流によって調節することができる。駆動用磁場および制御用磁場は、駆動巻線のトルク形成電流が単独で機械的モータ出力全体を与えるように、互いに完全に分離させることが可能である。本発明に従う装置の回転ドライブとしての無軸受モータの動作に対して与えられるべき全機械的モータ出力は、流体内の回転体の回転により生じる粘性動力損失および場合によっては圧力差に逆らって流体に対してポンプ動作を加えることによって同時に供給されるポンプ動力の和となる。ちなみに、ポンプ動力は、ポンプされる流量に対応する圧力差を単純に乗算して得られ、一方、機械的モータ出力は、トルク形成電流と流体内の回転体の回転数の積に比例する。したがって、油圧ポンプ動力が既知であれば、粘性動力損失は、トルク形成電流および回転体の回転数から直接求めることが可能であり、これに基づいて流体の粘度ηが得られる。したがって特に油圧ポンプ動力が非常に小さい、または無視できる場合、回転数が一定であれば流体の粘度ηはトルク形成電流に正比例する。
【００１４】
本発明を、概略的な図面を参照して以下により詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、概略な図解で、流体１の粘度ηを決定するための本発明による装置の一実施形態を示す。装置は電気式回転ドライブ２を含み、このドライブは、回転ドライブ２の回転子５として設計され流体１内で回転可能な回転体５と、ステータ３とを有する。回転子５は、軸方向に延びる高さＨよりも直径Ｄが大であることが好ましい。ちなみに、回転体５がステータ３に対し非接触式で磁気的に回転軸を軸支され、回転子５用の別個の磁気ベアリングがないということが本発明にとって重要である。電気式回転ドライブ２のステータ（固定子）３は、駆動用磁場を発生するための駆動巻線と、ステータ３に対する回転子５の位置を制御用電流によって調節することができる制御用磁場を発生するための制御巻線とを含むステータ巻線４を有する。また、ステータ巻線４は、加熱用電流を発生するための更なる巻線を含むことが可能である。駆動用磁場は、回転磁場を形成するのに適しており、回転子５にトルクを作用させ、ステータ３に対する回転体５の回転を引き起こす。これに関連するが、回転磁場は、既知方法である場指向性駆動調節（英語では「ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ」（ベクトル制御）として知られる）に従ってトルク形成電流Ｉ_qによって制御される。
【００１６】
本願の枠組み内で電流という用語を電気的状態のパラメータまたは制御のパラメータとして使用した場合、当然この用語は、例えば電圧や電力のように同様な特性付けに適した他の電気的パラメータも表わす。
【００１７】
回転ドライブ２は、ステータ３が、磁気リターン（もどり）・ヨーク３１により結合され長肢と短肢を有し各々Ｌ字形に形成された複数のステータ歯６を有する、テンプル・モータとして設計されることが好ましい。ちなみに、長肢が回転子５の所望の回転軸Ωに平行に延在し、短肢が前記所望の回転軸Ωに向って径方向に延在することが好ましい。図２に示したように、この結合で複数のステータ歯６の短肢は、回転体５を受け入れるのに適した実質的に円筒状の領域を形成する。回転子５は好ましくは永久磁石式であるが、磁場励起の回転子５として設計することも当然可能である。永久的に磁気励起の回転子５が磁場励起の回転子５との比較で有する具体的利点は、磁場励起のための電流が不要であり、したがってエネルギー不要という事実にある。それゆえ、永久的に磁気励起された回転子５を有する回転ドライブ２の使用は、トルク形成電流Ｉ_qを計測することによって粘度ηを決定するためには特に有利であることが分かる。回転子ハウジング７は、回転体５を完全にまたは部分的に取り囲むことが可能である。しかし、特定の状況下では回転体５は回転子ハウジング７内に収容されないことが考えられる。例えば、対応した電気絶縁方策を採れば、本発明による装置は、回転子ハウジング７が不要になるように、例えば流体１を満したコンテナ内で完全にまたは部分的に流体１内に配置することができる。
【００１８】
特に単純な実施形態では、回転体５は、実質的に滑らかな表面を備えた平坦な円盤として形成される。回転ドライブ２の速度が定常値ωに達したときすなわち静的状態では、回転磁場によって駆動される回転体５は、トルク形成電流Ｉ_qが実質的に流体１の粘度ηのみによって決まる状態で、流体１内で回転する。とりわけ、いわゆるインライン（工程内）計測手段を用いる工程中の計測では、場所および／または時間によって粘度の値ηにばらつきが生じ得るので、流体１の充分な循環が確実なものとなるよう配慮がなされなければならない。例えば、図１に示したように流動している流体１の粘度ηを連続的に監視すべき場合は、適当な手段を用いて、回転体５の付近を新たな流体１が定常的に流れていくことを確実にしなければならない。この目的で、回転体５は、最も単純な場合には例えば図１や図３に示したように、径方向および／または軸方向の１つまたは複数の穴あけ８１によって実現される循環補助物８を含むことが可能である。好ましくは、図５に示したように、回転体５の表面に循環補助８としてのシャベル様の装置が設けられる。循環補助物８として流体１の循環を改善する様々な設計の構造要素を回転子５に設けること、或いは回転子ハウジング７に設けることも、また、考えられる。図６に示したように、回転体の形状を適切に選択すると、流体１の循環をも改善することが可能である。循環補助物８を種々組み合わせたものも、もちろん想定可能である。ちなみに、循環補助物８の構造特性は、本発明の装置の計測精度向上にも貢献可能である。というのは、流体１内の回転体５の摩擦が循環補助物８によって一般に増大するからなのであるが、詳しくはこれがトルク形成電流Ｉ_qの変動を増し、それゆえ変動中の粘度ηの測定感度を増すからである。図４および図７に概略的に示したように、測定感度を増すために更なる器具１４を設けることも可能である。これは追加の量の流体１を回転体５に結びつけるのに適しており、したがって、流体１内での回転体による流動抵抗を増すのに適している。器具１４は、低粘度の流体１または低密度の流体１に特に有利であると判っている。図４Ａは、図４の線Ｄ−Ｄに沿った断面図で器具１４の実施形態を示す。
【００１９】
たとえば流体１内にわたる圧力をはじめとする熱力学的状態パラメータを決定するための、あるいは、ｐＨセンサや光学センサなど流体１の様々な化学的または物理的特性を計測する計測プローブ、といった様々な計測プローブに加え、本発明による装置は、流体１の温度Ｔを決定する温度センサ１１（図１）を有することも可能である。複数の流体１については、温度Ｔへの粘度ηの依存性は、多少程度の差こそあれ強いものであり、それゆえ、温度Ｔの決定は、粘度ηの決定と時と場所を同じくして行われなければならない。一定量のオーム加熱をステータ巻線２に当然生じるものである本発明による装置は、あるの状況下では、流体１から大いに熱的に隔てられることが必要ということも有り得る。この目的で様々な方策が想定されるが、それらの個々を例示の目的で以下に説明する。図９に示したように、例えば、Ｌ字形のステータ歯６の長肢および／または短肢の設計によって、ステータ巻線４を含むステータ３の領域を、ステータ巻線４の発熱の最大５０％、好ましくはせいぜい５％が流体１内につながるように、回転体５に関して配置することができる。ステータ巻線４と流体１の熱的非結合は、例えば断熱手段によっても達成可能である。例えば、図９に示したように、回転ドライブ２のステータ３が、断熱のための断熱手段９を有することが可能であり、同様に、回転子ハウジング７もまた断熱のための装備１０を含むことが可能である。断熱手段９は、例えば、冷却リブを備えたハウジングを含む冷却ジャケットとして設計可能であり、このハウジングは、追加的に外部的に冷却することができ且つ／または熱放散のための更なるデバイスを備える。回転子ハウジング７の断熱のための装備１０は、図９に示したように、回転子ハウジング７と装備１０の間に温度センサ１１の受け入れや断熱材の受け入れに適した介在スペース１０１を形成するようなケーシングとして設計可能である。また考えられることは、介在スペース１０１を排気可能とすることで、そうすれば特に効果的な断熱が達成可能である。当然に装備１０も断熱手段９と同様に、冷却リブを備えたハウジングを含む冷却ジャケットとして設計可能であり、このハウジングは、追加的に外部的に冷却することができ且つ／または熱放散のための更なる仕掛けを備える。
【００２０】
ステータ巻線４と流体１の熱的非結合は、しかし、全ての場合において望ましいというわけではない。しばしば、温度依存性の粘度ηは、１つまたは複数の既定された温度Ｔで決定することが可能でなければならない。すなわち、流体の温度Ｔは、制御および／または調節されなければならない。そのような場合には、本発明による装置は、流体１に対するサーモスタットとして使用可能、すなわち、同時に加熱手段として使用可能である。この目的では、強度および頻度を調節可能な加熱電流を、ステータ３の巻線のいずれか１つに流すことが可能であり、そうすれば、ステータ３およびその結果として流体１を、ステータ歯６への熱的結合によって事前設定可能な温度Ｔに到達させることが可能である。加熱電流を発生させるためには、ステータ巻線４が追加的に別個の加熱用コイルを含むことも可能である。これに代えて、ドライブの磁場−指向性調節において、トルク形成電流Ｉ_qに加えて磁化電流を付与することが可能であり、これは、永久的に磁気励起のドライブ２の場合は特に、ステータ巻線４における熱損の増大を主にもたらし、よって温度Ｔの調節を可能とする。
【００２１】
回転体５の適当な配置および構成により、回転している回転体５は、調節可能な油圧ポンプ動力を追加的に供給できるようになる。ちなみに、回転ドライブ２は、図１５に例示したように、好ましくは動作範囲Ａで動作し、そこでは、回転体５の回転によって流体内で変換される粘性動力損失の一部分が、電気式回転ドライブ２の機械的動力の少なくとも８０％、特に少なくとも９５％に達する。粘度ηをトルク形成電流Ｉ_qから求める場合、油圧ポンプ動力は当然計算に入れなければならず、その結果は、ポンプ給送した体積流量とそれに対応する圧力差Δρとの積になる。本発明による装置が上述したように動作範囲Ａ内で運転されると、単位時間当たりにポンプ給送される体積が回転ドライブ２の回転数ωに正比例し、したがって求値が特に簡単である。粘性動力損失と比較して油圧ポンプ動力が無視できるほど小さい場合はこれに該当しない。図７および図７Ａは、例示として、油圧ポンプ動力を提供するに適した本発明による装置について各々一実施形態ずつを示す。図７の実施形態は、回転子ハウジング７により完全に取り囲まれた回転体５を備える遠心ポンプを概略的に示す。回転子ハウジング７は、ここでは流体１を導入するためのインフロー（流入路）１２および流体１を排液するためのアウトフロー（流出路）１３を含む。図７Ａは、そのような実施形態の他の変形例として、側方通過ポンプを概略的に示す。図７Ｂおよび図８は、それぞれ、図７Ａによる線Ｄ−Ｄに沿った断面図、そして油圧ポンプ動力を起こすためのポンプ・ベーン８２を備えた図７による線Ｅ−Ｅに沿った断面図を示す。
【００２２】
粘度ηを決定するための、図７および図７Ａに概略を示した本発明による装置の実施形態は、図１０および図１１に示したように、流体１の粘度ηを例えば流体１が入っている容器１５内の様々な場所Ｘで、事前設定可能な時間的順序で、引き続いて決定すべき場合に特に有利であることが判明した。容器１５は、例えば、図１０に示したように貯蔵コンテナとして設計可能、または図１１に描いたようにラインとしても設計可能であり、あるいは他の異なる形状にも設計可能である。図１０に示した容器１５は、例えば反応容器であることが可能であり、その中に流体１が入れられて遅い化学反応をたどるが、その最中で時間的にも場所的にも粘度ηのばらつきが生じる。粘度ηを決定することで化学反応の進行過程を時間的そして場所的に分析して観察することが可能なように、インフロー１２は、例えば、容器１５内の様々な場所へ移動させることが可能な転置可能フィーダ（供給器）として設計可能である。ちなみに、化学的プロセスに加えて、多成分流体１の混合や同様な処理をはじめとする物理的工程も、当然に観察可能である。例として粘度ηは、図１１に示したように、例えば流体１が通り抜けて流れる管内の沈殿過程や他の状況によって管内の場所Ｘに依存することが有り得る。流動している流体内の粘度ηは、ここでもまた転置可能フィーダとして設計可能であるインフロー１２により、場所および／または時間に依存して、流動中流体１内に可能である。本発明による装置は、当然、既に述べたように、同時にまた油圧ポンプ動力を供給することが可能であり、したがって、例えば図１０に示した実施形態では、容器１５内の混合をさらに支援することが可能である。
【００２３】
ちなみに、粘度ηはまた、容器１５内の１つまたは複数の場所Ｘで連続的に測定することも可能である。このやり方で決定された粘度ηの瞬間的な値は、その後、追加的な機械的および／または電気的装置（図示せず）によって化学的または物理的プロセスの制御および／または調節に役立てることができる。したがって例えば化学的または物理的プロセスに関与する物質の送出、または温度Ｔをはじめとするプロセス・パラメータの調節も、粘度ηに依存して営むことが可能である。
【００２４】
既に述べたように、流体１の内部摩擦Ｆ_Rは、粘度ηへの依存に加え、圧力や温度Ｔのような熱力学的状態パラメータにもまた一般に依存する。また、更なる物理的諸特性の関数であり、とりわけ、流体１の密度の関数である。本発明による装置の助けを得て流体１の密度の決定を行う一つの実現可能性は、流体１内で一定速度ωではなく、事前設定可能な計画に従って速度ωおよび／またはトルク形成電流Ｉ_qを変化させながら回転する回転体５で構成される。或る所定温度および或る既知粘度であれば、内部摩擦Ｆ_Rの変動は、回転体５の既知の慣性モーメントと回転体５の変更中の速度ωと流体１の密度のみに実質的に依存する。この理由は、流体１内で回転中の回転体５の速度ωが変更されるときは、内部摩擦Ｆ_Rにより回転体５に結合された液体層すなわちそれらの集まりが加速されなければならない、という事実に根差している。ちなみに速度ωの時間変化は、当然に一対一対応の関係でトルク形成電流Ｉ_qにおける変化に対応する。
【００２５】
本発明に従う装置によって流体１の密度を決定する方法の２つの基本的な変形形態を図１２および図１３に関して以下に説明する。図１２および図１３には示していない第１の処理ステップで粘度ηを決定した後、適当な制御または調節装置（図示せず）によって、回転体５の速度ωを事前設定可能な計画に従って変化させる。図１２では、速度ωは、時間ｔの関数としての鋸歯関数によって変化される。その変化は、他のいかなる事前設定可能な周期的または非周期的な計画に従って営まれることも可能である。例えば、回転体５の速度ωは、正弦関数曲線のコースまたはスクエア関数のコースに従うことが可能であり、あるいは、その回転は、例えばインパルス形態で駆動される方法で行われることも可能である。速度ωは、一定に保つことも当然に可能である。速度ωを事前設定した場合、対応するトルク形成電流Ｉ_qは一対一対応で関係し、その上、その時間依存コースから流体１の密度を求めることが可能である。図１２で示した線図上部で、回転体５の回転数ωは、時間ｔの関数として入力される。線図下部に、２つの流体１についての対応付けられたトルク形成電流Ｉ_qのコースＦ₁およびＦ₂を概略的に示した。ちなみに、コースＦ₁は、より高い密度を有する流体１に対応付けられており、一方で、コースＦ₂は、より低い密度を有する流体１の特性を示す。
【００２６】
もう一つの変形形態では、トルク形成電流Ｉ_qのコースは、制御または調節装置（図示せず）によって事前設定され、このコースは、図１３の線図上部で示したように、たとえば、時間ｔの関数として矩形コースをたどることが可能である。トルク形成電流Ｉ_qは、他のいかなる時間の関数を有することも当然に可能である。特に、トルク形成電流Ｉ_qは一定に保つことも可能である。本発明による方法のこの変形形態では、流体１の密度は、図１３の線図下部で概略的に描かれた結果的な回転体５の速度ωの得られる対時間コースから求められる。
【００２７】
したがって本発明によれば、流体１の粘度ηを決定するために流体１内で回転可能な回転体５を備えた電気式回転ドライブ２を含む装置および方法が提案される。ちなみに、回転ドライブ２の回転子５として設計される回転体５が、回転子５を備えるハウジング部を通じてステータ３に対し非接触式で磁気的に回転軸を軸支されるということが本発明にとって重要である。ちなみに粘度ηは、回転ドライブ２またはそれに関連したトルク形成電流Ｉ_qから求めることが好ましい。
【００２８】
本発明に従って提案された装置およびこれに関連して提案された方法は、従来の技術と比較して多大な利点および改善を示す。回転体５が完全に非接触式で支持されるので、回転ドライブ２は、複雑なシールまたは同様の機器を必要とするような駆動要素やベアリングを全く有さない。したがって本発明による装置は、まず一観点として、特にシールやベアリングを攻撃して永久的に損傷を起こしかねないことが知られている化学的または物理的に攻撃的な流体１を検査しなければならない場合、並外れて適している。したがって、可能な適用領域の範囲が、従来技術に対して大きく拡大される。また、本発明による装置は、大部分が保守不要であり、少なくともメンテナンス間隔をかなり延ばすことができる。それは最終的には、既知の粘度計に対して提案された本装置の経済的実用性および信頼性の向上につながっている。
【００２９】
本発明による装置の極めて高い感度は、粘度ηの決定において格別な利点をなす。回転体５が完全に非接触式で支持されるので、流体１の粘度ηを求めるときに、例えばベアリング摩擦によるような追加的な摩擦損失を計算に入れなくともよい。したがってトルク形成電流Ｉ_qは、流体１の内部摩擦Ｆ_Rについて直接的に尺度となる。これは、従来の粘度計で通常不可避的に生じる摩擦損失と同等かもっと少ない摩擦損失でも流体１内で検知可能であることを意味する。本発明による装置の極めて高い測定精度は、図１４に効果的に示される。曲線Ｔ_Fは、流体１の温度Ｔのコースを時間ｔの関数として示す。温度Ｔは、図１４の線図の左側縦軸上に記入されている。曲線Ｉ_qは、対応付けられたトルク形成電流Ｉ_qのコースを示し、それから求められた流体１の粘度ηが、センチポイズ単位で線図の右側縦軸に示されている。この線図が明確に示しているように本発明による装置は、０．１パーセント範囲またはより優れた測定精度を容易に可能とする。
【００３０】
しかし、本発明による装置は、流体１の粘度ηの決定のみを可能にするわけではなく、特定の実施形態ではまた同時に、ポンプ装置として追加的に使用される、またはステータ巻線４内に導入可能な加熱電流により流体１を適度なものとすることも可能にする。また本発明の装置は、流体１の更なる物理的特性、例えば密度を、トルク形成電流Ｉ_qおよび／または回転体５の速度ωを変化させることによって決定することもさらに可能とする。したがって流体１の粘度の決定のための本発明による装置は、最終的には、用途の広い調節ユニットとして非常に様々な物理的または化学的プロセスの制御または調節に使用することさえ可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステータと、ステータ巻線と、回転体と、回転子ハウジングとを備えたテンプルモータを含む本発明による装置の実施形態を示す図である。
【図２】線Ａ−Ａに沿った図１の回転子ハウジングの断面図である。
【図３】線Ｂ−Ｂに沿った図１の回転子ハウジングの断面図である。
【図４】循環補助物を備える本発明による装置の第２の実施形態を示す図である。
【図４Ａ】線Ｄ−Ｄに沿った図４の器具１４の実施形態の断面図である。
【図５】線Ｃ−Ｃに沿った図４の循環補助物についての実施形態の断面図である。
【図６】回転体の特殊な形についての実施形態を示す図である。
【図７】回転子ハウジングにより完全に取り囲まれた回転体を備え、遠心ポンプとして設計された第３の実施形態を図１と同様に示す図である。
【図７Ａ】図７同様、側方通過ポンプとして設計された更なる実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】線Ｄ−Ｄに沿った図７Ａに従う実施形態の断面図である。
【図８】線Ｅ−Ｅに沿った図７に従う実施形態の断面図である。
【図９】図１に従うが熱的隔離手段を設けられた第４の実施形態を示す図である。
【図１０】流体を有する容器内で粘度を測定するための構成の概略図である。
【図１１】流体が通過して流れる管内の粘度を測定するための配置の概略図である。
【図１２】回転体が事前設定された或る回転数の場合の、トルク形成電流の時間依存性を示す図である。
【図１３】或る所定のトルク形成電流の場合の、回転体の回転数の時間依存性を示す図である。
【図１４】粘度ηの温度依存性を示す線図である。
【図１５】回転ポンプにおける圧力差（上）と効率（下）の間の関係を表わす図である。
【符号の説明】
１ 流体
２ 回転ドライブ
３ ステータ
４ ステータ巻線
５ 回転子

Claims (21)

1. 流体（１）の粘度（η）を決定する装置であって、ステータ巻線（４）を有するステータ（３）と、流体（１）内で回転可能な回転体（５）とを備えた電気式回転ドライブ（２）を含み、この回転体が回転ドライブ（２）の回転子（５）として設計され、回転体（５）がステータ（３）に対して非接触式で磁気的に軸支される装置において、
   電気式回転ドライブ（２）がテンプル・モータとして設計され、該モータにおいてはステータ（３）が複数のステータ歯（６）を有し、これら歯は磁気リターン・ヨーク（３１）により結合され各々Ｌ字形に形成され、ステータ歯（６）の一方の肢部が、回転子（５）の所望の回転軸（Ω）に平行に延び、ステータ歯（６）の他方の肢部が、前記所望の回転軸（Ω）に向かって径方向に延び、電気式回転ドライブ（２）のステータ巻線（４）が、ステータ歯（６）の長い方の肢部に設けられ、
   流体（１）内の回転体（５）の回転により変換される粘性動力損失部分が電気式回転ドライブ（２）の全動力の少なくとも８０％に達する運転範囲（Ａ）で、回転ドライブ（２）を運転する手段が設けられ、
   トルク形成電流（Ｉｑ）により粘度（η）を決定する手段が設けられることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、回転子（５）用の磁気支持部と前記ドライブとが、電気式回転ドライブ（２）において無軸受モータの原理に従って１つのユニットを形成する、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、回転体（５）が、該回転体（５）を取り囲むハウジング部によって、ステータ（３）に対し非接触式で磁気的に軸支される、装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の装置において、回転子（５）の直径（Ｄ）が、軸方向に延びる回転子の高さ（Ｈ）よりも大である、装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置であって、永久磁石式回転子（５）を有する、装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置において、回転体（５）が、完全にまたは部分的に回転子ハウジング（７）によって取り囲まれる、装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置において、回転体（５）が、流体（１）の循環を改善する循環補助物（８）を有する、装置。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置において、ステータ（３）が、断熱のための断熱手段（９）を有する、装置。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置において、回転子ハウジング（７）が、断熱のための装備（１０）を含む、装置。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の装置において、流体（１）の温度（Ｔ）を決定するための温度センサ（１１）を有する、装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の装置において、回転体（５）が、実質的に油圧ポンプ動力を与えないように形成され配設されている、装置。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の装置において、インフロー（１２）およびアウトフロー（１３）を備え、流体（１）用の回転ポンプとして構成されている、装置。
13. 請求項１による装置を用いて流体（１）の粘度（η）を決定する方法であって、流体（１）内の回転体（５）の回転により変換される粘性動力損失部分が電気式回転ドライブ（２）の全動力の少なくとも８０％に達する運転範囲（Ａ）で、回転ドライブ（２）を運転し、トルク形成電流（Ｉｑ）により粘度（η）を決定する、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、粘度（η）が、電気式回転ドライブ（２）の電気的運転データおよび／または機械的運転データの測定によって求められる、方法。
15. 請求項１３または１４に記載の方法において、この方法がインライ ン式に行われる、方法。
16. 請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の方法において、回転体（５）が、油圧ポンプ動力を与える、方法。
17. 請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の方法において、トルク形成電流（Ｉ _q ）が、流体（１）の粘度（η）を求めるための事前設定可能な計画に従って回転ドライブ（２）のステータ巻線（４）によって変更される、方法。
18. 請求項１３から１７までのいずれか一項に記載の方法において、回転ドライブ（２）の速度（ω）が、流体（１）の粘度（η）を求めるための事前設定可能な計画に従って変更される、方法。
19. 請求項１３から１８までのいずれか一項に記載の方法において、流体（１）の温度（Ｔ）が、ステータ巻線（４）に与えられる発熱電流の変更により調節または制御される、方法。
20. 請求項１３から１９までのいずれか一項に記載の方法において、第１の運転モードおよび少なくとも１つの更なる運転モードを含み、前記第１の運転モードでは流体（１）の少なくとも１つの物理的特性、好ましくは粘度（η）、を求め、前記更なる運転モードでは好ましくは流体（１）の密度である更なる物理的パラメータを求める、方法。
21. 請求項１３から２０までのいずれか一項に記載の方法において、流体（１）の少なくとも１つの物理的特性が、場所（Ｘ）および／または時間（ｔ）の関数として求められる、方法。

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