２方弁と３方弁(10) バルブ動作記号

さて、２方弁と３方弁について、あと少し残っています。
残っているものは「パイロット電磁弁」についてです。

「パイロット電磁弁」については、このバルブ屋ブログでも説明していますね。下記にあります。
http://burkert.seesaa.net/article/38374591.html

「パイロット電磁弁」の反義語は「直動電磁弁」です。
「直動電磁弁」は、電気の力だけで操作される電磁弁です。
「パイロット電磁弁」は、電気の力＋流体の圧力で操作される電磁弁です。

その、バルブの動作記号は下の通りです。


右側の四角に、「P」から不自然な点線の矢印が出ていますね。
この点線矢印が、「バルブの１次側（上流側）から圧力を引っ張ってきて、その力をバルブの操作に利用」していることを示しています。
他の部分は、２方弁のノーマルクローズと同じです。

この点線矢印があるか無いかで、直動バルブかパイロットバルブかを判断することができます。

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２方弁と３方弁(9) バルブ動作記号

「合流弁」と「分流弁」、わかりにくいですね。
それなので、どっちも兼ねてしまいましょう、ということで、
次のバルブは「ユニバーサル」。
「合流弁」としても「分流弁」としても、使えます。



このバルブなら、「合流弁」や「分流弁」は必要ないですね。
もっとも万能に使える、という次第です。
といっても、流れ方向による力の向きが関係してきますので、
どんなバルブでもこの方式で使える、というわけではありません。
フリッパー電磁弁とロッカー電磁弁には、この形式のバルブがあります。
流れ方向の制限が少ないため、汎用性の高いバルブともいえます。
ご興味いただきましたら、ビュルケルトまでお問合せください。

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２方弁と３方弁(8) バルブ動作記号

続いては、これも特殊な３方弁です。
前回は「合流弁」でしたが、
http://burkert.seesaa.net/article/51783681.html

今回は「分流弁（分配弁）」です。


このバルブは、バルブが動作していないときは「P」から「B」に流体が流れます。
そして、バルブが動作すると「P」から「A」に流体が流れます。
つまり、「P」から「A」or「B」のどちらに流体を流すのか、切替えることができるバルブです。

このバルブも圧力が問題になってきます。
もし閉じていけなきゃならない方の口から、圧力がかかってきたら、バルブはちゃんと閉じていられるのか？
逆からの圧力でバルブが開いてしまえば、流体が混ざってしまうこともありえます。

逆圧＝背圧　ですよね。

空圧弁は、もともと圧力が高いものに強いから、ちょっとおいておきます。
問題は、電磁弁です。
ここで、有効な電磁弁が、フリッパー電磁弁とロッカー電磁弁です。
もちろん、無限の背圧に耐えられるわけではありませんが、汎用のプランジャ電磁弁に比べて、かなり高い背圧に耐えられます。
そのため「合流弁」でも「分流弁」でも、役にたつバルブです。

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理想気体の方程式

ボイルの法則とシャルルの法則から、次は理想気体の方程式が導かれました。
理想気体の状態方程式ってのが、正しいんでしたっけ？

で、この方程式は、
　PV = nRT
です。
　P：圧力（絶対圧力）
　V：体積
　n：気体のモル数
　R：気体定数
　T：温度（絶対温度）

圧力や体積は、様々な単位があるので、その単位の選択によって、
気体定数[R]の値は、異なってきます。

ここで、n[気体のモル数]が、出てきます。
これは、つまり気体分子（原子）の数ですよね。
気体分子（原子）の数は、質量と比例します。
モル数に、原子量を乗ずれば、質量になります。

何が言いたいのかというと、この理想気体の方程式は、気体の質量と体積の関係を表している、ということです。
マスフローコントローラは、質量流量を測ります。これを体積に変換するのは、基本的にはこの式です。
（基本的といったのは、この式はあくまで「理想気体」であり、「実在気体」とは少しずれがあるためです。）

最近、地球温暖化の話題があちこちで盛んですが、二酸化炭素の排出量を「kg」で表されることが多いですよね。
あれ、何で質量なんでしょうかね？
体積だと、温度で変化するから、夏冬で異なるからでしょうか？

ま、それはともかく、気体の体積と質量は、圧力と温度と関係している、ということです。

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２方弁と３方弁(7) バルブ動作記号

次はちょっと特殊な３方弁です。
とりあえず、先に動作記号を見てみます。


これは「合流弁」ってやつですね。
バルブが動作していないときは、「P2」から「A」に流体が流れ、
バルブが動作すると、「P1」から「A」に流体が流れます。
「P1」と「P2」は別々の流体と繋がっており、必要に応じて、どちらの流体を流すか、切り替える、というときに使います。

どこが特殊？　って思われる方もいるかもしれませんが…
空圧アクチュエータや電動アクチュエータと組合せた３方ボール弁なら、この形はよくあります。
また、３方ダイヤフラム弁でも、可能ですね。
ただ、電磁弁では、なかなかこのタイプはありません。
このバルブだと、暗黙の了解として、「P1」と「P2」は同じ圧力まで耐えられないと、あまり意味がありませんが、同じ圧力ってのが、なかなか大変です。
だいたい、どっちかは低い圧力までしか使えなくなり、そっちがネックとなって「電磁弁は合流弁（切替弁）としては使えない」という風に考える方も多いかと思います。

しかし、ビュルケルトのフリッパー電磁弁やロッカー電磁弁なら、「P1」と「P2」と、同じ圧力まで耐えられるものがあります。
例えば１方に薬液をつないて、他方を洗浄水につないで、必要なときは薬液を流し、それ以外は洗浄水を流し続ける。
また、１方を水に繋いで、他方を空気に繋いで、必要なときは水を流すけど、それ以外は空気を流して乾燥させてしまうとか。
いろいろ、用途が考えられるバルブです。

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２方弁と３方弁(6) バルブ動作記号

バルブの構造の続きです。
前回３方弁の１種類について、説明しました。
http://burkert.seesaa.net/article/51497442.html
です。

次は、このバルブと逆の動きをするバルブです。



という動作をするバルブで、スプリングが利いていると、「P」から「B」に流体が流れ、
バルブが動作すると「B」から「R」に流れます。

例えば電磁弁では電源が落ちたとき、空圧弁なら空気が無くなった（大量に漏れた）など、異常な状況ではバルブは動作せず、スプリングだけが利いていることになります。
このバルブは、異常時には「P」から「B」に流体が流れるわけですね。
安全面を考慮して、使われることの多いバルブです。

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ボイルシャルルの法則

ボイルの法則と、シャルルの法則の次は、ボイルシャルルの法則です（笑）
ボイルの法則とシャルルの法則を組合せた感じです。

ボイルの法則は、温度一定での圧力と体積の関係です。
シャルルの法則は、圧力一定での温度と体積の関係です。
じゃ、圧力も温度も同時に変化したら、どうなるでしょう、っていうのが、ボイルシャルルの法則です。
理想気体においては、体積は圧力に反比例し、温度に比例するというものです。
式は、
　

ま、一緒に掛け算して割り算しちゃえば、いいかと。

ここから「理想気体の状態方程式」が導かれるわけです。
それと、アボガドロ定数のことを理解すると、体積流量・質量流量・温度・圧力の相互関係がわかってきます。

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シャルルの法則

ボイルの法則の次は、シャルルの法則ですね（笑）

ボイルの法則が、気体と圧力の関係であるのに対し、
シャルルの法則は、気体と温度の関係を表した法則です。
理想気体において、気体と温度は比例します。
このとき、温度は絶対温度です。
式では、下記のように表します。
　

で、この法則が、バルブとどう関係しているかというと、バルブの流量係数であるKv値/Cv値の計算で出てきます。
ボイルの法則と同じですね。
バルブのKv値/Cv値計算のときは、温度は絶対温度を使わなければならないことになっています。
ま、式によっては、セルシウス温度に、273を足して、自動的に絶対温度にしちゃってるかもしれませんが。
注意して、バルブの流量係数であるKv値/Cv値を見てみてくださいね。

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ボイルの法則

パンダ丸は、「未開封のポテトチップの袋を標高の高い山に持っていくとパンパンなる」法則と勝手に呼んでいますけど（笑）

気体の体積と圧力の関係を表した法則です。
　圧力が上がると、気体の体積は小さくなり、
　圧力が下がると、気体の体積は大きくなる。
体積と圧力は、ちょうど逆の関係になるって、法則です。

理想気体では、体積と圧力の積が一定になります。すなわち、
　
このとき、気をつけなければならないのは、圧力はゲージ圧ではなく、絶対圧力である、ということです。

ちょっとわかりにくいですか？
最初のポテトチップの袋の話に戻りますね。

地上では、気圧はおよそ1000hPaの圧力があります。
ま、高気圧や低気圧などで変化はありますけど、だいたいこの辺りですよね、計ったこと無いですけど…
富士山の山頂では、およそ650kPaになるそうです。

ポテトチップの袋の中に、どのくらいの体積の窒素が封入されているのか知りませんが、とりあえず１[ポテチ]としましょう。
そうすると、富士山山頂でのポテトチップの袋の体積Ａは、次式から求められます。

1[ポテチ] x 1000 = Ａ[ポテチ] x 650

ということで、Ａ = 1.54
富士山山頂では、ポテトチップの袋は、およそ1.54倍に膨れる、という計算です。
ま、袋の中の気体は実在気体で理想気体では無いこと、気温が地上と富士山の山頂では異なること、そもそもポテトチップの袋は、1.54倍も体積が膨れたら割れるんじゃないかということなど、計算が合わなくなる不確定要素がありますけどね。
どなたか、ぜひ実験してみてください。
パンダ丸は、やりませんから（笑）

で、この法則が、バルブとどう関係しているかというと、バルブの流量係数であるKv値/Cv値の計算で出てきます。
出てくるというか…
バルブのKv値/Cv値計算のときは、圧力は絶対圧力を使わなければならないことになっていますよね？
ここで、ゲージ圧ではなく絶対圧を使うところに、ボイルの法則は関わっているわけです。

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２方弁と３方弁(5) バルブ動作記号

では、続いて３方弁の説明にいきます。

先に記号を見てしまいましょう。


この記号から、バルブが動作していないときには、「A」から「R」に流体が流れます。「P」はどこにも繋がっていません。
そして、バルブが動作すると、「P」から「A」に流体が流れます。「R」はどこにも繋がっていません。
そして、それぞれ逆流れは不可です。

変な動きのバルブですね。
このバルブは、どこに使われるかというと、空圧弁を動かすための電磁弁として、よく使われるバルブです。
　「P」は、操作空気の入口
　「A」は、空圧バルブの空気口
　「R」は、排気なので、どこにも繋がない
とすると、電磁弁が動いていないときは、空圧バルブのアクチュエータの中の空気は「R」を通じて排気されます。
そして、電磁弁を動かすと、「P」から操作空気が入り、「A」を通じて空圧弁のアクチュエータの中まで導入されます。で、空圧弁が動作する、という仕組みです。
この方法なら、流体（この場合は、空圧バルブを動かす操作空気）は、１方向の流れでOKです。
だから、こんなバルブが使われるんですね。

他にもいろいろな用途があると思います。
流れ方向が制限されるので、ちょっと注意が必要です。
もちろん、流れ方向が制限されないバルブのあるのですが、それは少し後になってでてきます。

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２方弁と３方弁(4) バルブ動作記号

別の２方弁といえば、ノーマルオープンのバルブです。
通常時、バルブは開いていて、流体が流れます。
バルブを操作すると、バルブが閉じて、流体が流れなくなります。

そのバルブの動作記号は、


です。
この記号の見方は、右側のスプリングが利いている（通常時）は、「P」から「A」に流体が流れます。
左側の電気／空気など、バルブを動作させる力が働いているときは、「P」と「A」が繋がっておらず、流体が流れません。

やっぱり、言葉で説明するより、記号の方が簡単ですよね？

次からは、３方弁を説明します。

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２方弁と３方弁(3) バルブ動作記号の説明

バルブ動作記号の説明をしますね。
まずは、２方弁に戻ります。

もっとも標準的な２方弁（２方バルブ）は、通常はバルブが閉じていて、入口から出口に流体は流れません。電磁弁（ソレノイドバルブ）なら電気を、空圧弁なら駆動源である空気を導入し、バルブを駆動させ、入口から出口へ、流体を流します。

まどろっこしい言い方ですね（笑）
つまり、電気ONで開いて、電気OFFで閉じる電磁弁のことです。


入口が「P」、出口が「A」です。
右のギザギザは、ばね（スプリング）を示しています。
右側の四角の中で、「P」と「A」は、つながっていないことを示しています。
スプリングが利いている状態（ノーマル）、つまり電気がOFFでスプリングだけが機能している状態では、「P」と「A」がつながらず、流体が流れません。

左の長方形は、何らかの駆動源を示します。
電磁弁なら電気、空圧弁なら操作空気です。
左側の四角の中で、「P」から「A」に→がつながっています。
スプリング以外の駆動源の力が働いている状態、つまり電気がONで、「P」から「A」へ、流体が流れることを示します。

また電気をOFFにしたら、右の状態になり、また「P」と「A」は繋がらない状態になります。

言葉で説明すると、非常にややこしいですよね。
でも、図はシンプルでわかりやすいですよね。だから、こういう記号がよく使われます。
ビュルケルトのバルブのデータシートには、必ずこの記号が、どこかに記載されています。

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２方弁と３方弁(2)

前回は、２方弁のお話しでした。
http://burkert.seesaa.net/article/51180222.html

２方弁の２方は、入口と出口なわけです。
では、３方弁の３方は？
「入口が２つ／出口が１つ or 入口が１つ／出口が２つ」
ですよね。
入口や出口が３つなら、流体が流れないわけで…

と、簡単そうに聞こえますが、実はそんなに簡単じゃ無いんですね。
３つ口があると、２つよりかなりややこしいです。
その３つの口を、A , B , C とします。

あるバルブは、Aが入口で、BとCが出口となります。
　バルブが作動していないときは、A→Bで、Cには流体が流れません。
　バルブが作動すると、A→Cで、Bには流体が流れません。

あるバルブは、BとCが入口で、Aが出口になります。
　バルブが作動していないときは、B→Aで、Cには流体が流れません。
　バルブが作動すると、C→Aで、Bには流体が流れません

あるバルブは、AもBもCも入口であり、出口にもなります。

あるバルブは、A→Bで、B→Cになります。
Aは入口、Cは出口ですが、Bは、入口にもなり出口にもなります…

ややこしいですね。
これ、言葉で書くから、かなりややこしいんです。
そのため、バルブの流れ方向を記号で書く方法があります。

次回は、バルブの流れ方向の記号について、説明します。

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２方弁と３方弁

２方弁と３方弁という言い方を、バルブでは良く使います。
バルブとは、流体の流れを、止める／流す　の切替をするために使用される機械です。

２方弁とは、その役割通りです。
２方弁の２方とは、バルブの２つの方向に口があることを示します。すなわち、入口と出口です。
バルブが閉じているときは、入口からの流体はバルブで堰き止められ、出口へ流れることができません。
バルブが開くと、入口から出口への流路が開かれ、流体は入口から出口へ流れます。

ここでポイントです。
出口から入口に流れることは、できるのか？

これ、かなり難しい質問です。
答えとしては、バルブの構造による、としかいえません。
流れてもかまわないもの、出口側からの圧力で相手しますバルブ、開かないけど逆に開くことができなくなってしまうバルブ、いろいろです。

だから、バルブ（プロセスバルブ／電磁弁）を選定するときに、これは重要な要素となります。
どっちからどっちに流すのか、またそのときにバルブにかかる圧力はどのくらいか、それを確認した上でバルブは選定しなければなりません。

３方弁については、次回書きますね。

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電磁弁を動かす電圧

電磁弁を動かすのは、電気です。
当たり前ですが…

電圧には、ACとDCがあります。
　AC(alternative current)：交流
　DC(direct current) ：直流　です。

AC（交流）は、家庭にも繋がっている、電気です。電気が波になっています。ちなみに、AC100V だと、電気の波の最大値は、141Vです。
141 = 100 x √2 という計算になります。

DC（交流）は、乾電池の電気です。+ と - が、きっちり決まっており、
波になっていません。電圧が、一定です。

で、電磁弁の場合、AC(交流)とDC(直流)と電圧と、異なるとコイルが違いますので、必ず規定の電気の種類を守ってください。

また、ビュルケルトの電磁弁には、UCというのがあります。
UC(universal current)でして、これはAC(交流)でもDC(直流)でも使える電磁弁です。これは、ちょっと例外ですね。
この電磁弁は、コイルの中かケーブルプラグの中で、交流を直流の電気に変換しています。直流の電気が入ってきたら、直流のままで、電磁弁に電気が供給されます。

ご注意ください。

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RS232とバルブ

最初にお断りしておきますね。
パンダ丸は、こういう通信とか、パソコンとか、ものすごく苦手です。
苦手だから、嫌いだからって、逃げ回ってばかりなのも困りものなので、覚悟を決めて、勉強していきますね。
このシリーズは、自分で勉強したことを、再確認するために記載します。

RS232は、シリアル通信のインターフェースです。
今となっては、古い通信形態なので、通信できる情報量が少ないですが、ノイズに強いこと、遠方まで信号が届くという利点があるので、限定された中では、今でも使用されている通信形式です。
ビュルケルトの製品では、マスフローコントローラ（MFC）とパソコンを通信する「mass flow communicator」や、比例電磁弁などで使用されています。
マスフローコントローラ（MFC）や比例電磁弁は、アナログ信号（4-20mA等）の信号でも操作できるので、こちらの方が一般的かもしれません。
ただ、シリアル通信を使えば、デジタル／アナログの変換の誤差が原理的に無くなりますから、全体として誤差が少なくなり、厳密な制御を行いたいなら、こういう誤差も減らした方が有利ですよね。

現在では、さらに発展して、ProfibusやDeviceNetといった、フィールドバスが使用され、FA（ファクトリーオートメーション）や、PA（プロセスオートメーション）の世界では、一般的かもしれません。また、オンオフ制御に限るなら、ASiバス（AS-interface）も使用されます。
さらに、他のパソコンと繋ぐために、イーサネットを使用するケースもありますよね。
こういったバルブやセンサなどが100台以上もあって、通信が複雑になるなら、RS232は現在ではほとんど使われないでしょう。

この辺りまでは、一般的なお話。
具体的に、ビュルケルトの製品をシリアル通信を通じて、パソコンから直接動かすよう、がんばってみます。

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PID制御について(2)

前回、圧力制御について説明しましたが、それとは対照的にPIDを考える必要があるのが、温度制御です。

温度を測定する場合、測温抵抗体や熱電対を使うことが多いと思いますが、これらは温度を測定する素子まで熱が伝わらないと、温度を正確に測定することができません。
温度移動の３様態の、伝熱／対流／輻射のうち、原則的には伝熱でしか、測温抵抗体や熱電対という温度計の素子には熱が伝わりません。
（周囲環境によっては、対流や輻射の影響も考えられます。）
しかし、伝熱はあまり早く熱移動がおきません。
そのため、無駄時間が大きいと言えます。

また、温度制御を行おうとしても、こちらでも伝熱が主流であるため、プロセス系が安定するまで、やはり時間がかかってしまい、時定数の小さい制御であると言えます。

圧力制御が、無駄時間が少なく、時定数が比較的大きいことと、対照的な制御になります。
そこで、PID制御の「D（微分）」が、活躍する場合が多くあります。
「D」動作は、微分、つまり変化率をみる制御変数です。
そのため、温度がどのくらいの割合で上昇／下降したかを計算します。
無駄時間が多く、時定数の小さい温度制御では、下手をすると温度が設定を超えて、行き過ぎる場合があります。
そこで、「D」動作をうまく利用し、すばやく、制御の安定をはかります。
圧力制御において「D」動作は、全く使わないというわけではありませんが、多くの場合「D」動作が返って制御系を乱すことがあるので、慎重に考える必要があります。

また、温度制御において、時定数が大きい場合、つまり熱の移動がスムーズで、例えばちょっとスチームラインのコントロールバルブを開けると、すぐに温度が上がってしまう場合、なかなか制御が安定しない場合があります。
その場合は、スチームの１次側圧力を少し落としたり、コントロールバルブのポジショナのランプ機能を使用し、バルブの開閉速度を少し遅くし、熱移動の速度を落とすことで、制御が安定する場合もありますので、ご注意ください。

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PID制御について

ちょっと調べ物をしていたら、PID制御について、よくまとまっているページを見つけました。

http://ja.wikipedia.org/wiki/PID%E5%88%B6%E5%BE%A1
ん〜さすが、Wikipediaですね。
簡潔で、よくまとまっている説明です。
パンダ丸にも、ここまで説明できる文才があると、いいのですけどね。

以前、このブログにもPID制御について、記事を書いたことありますが、
ここまで体系的な説明はしていなかったです。

バルブ屋として、ここで、少し説明を補足します。
例えば、圧力制御を、圧力計とコントロールバルブ（ビュルケルトの製品では、Type2702やType2712、あるいは比例電磁弁）で行うとします。

圧力計で、変化する圧力を測定します。その信号を、PID制御できる調節計やビュルケルトのポジショナに入力し、PID演算をして、コントロールバルブの開度を決めて、実際に調節を行うことになるわけです。

圧力というものは、計測にはほとんど時間がかかりません。
また、上流側（１次側）に充分な圧力があるのであれば、コントロールバルブを少し開けただけで、すぐに実際の圧力は上がります。
つまり、無駄時間がほとんど無く、時定数も高い制御であると、一般的には言えます。
ただし、時定数が高すぎる状況、例えばコントロールバルブをわずかに開けただけでも、圧力が大きく変化してしまうと、圧力がハンチングし、グラフ上で波打っている状況になってしまう可能性があります。
その場合、事前に大き過ぎないコントロールバルブを選定する、ということが大事です。
実際にコントロールバルブに、どのくらいの流量を流すことで、どのくらいの時間をかけて、圧力を安定させてあげるか、考える必要があります。
あまり早い速度で圧力制御を行おうとすると、PID制御では、制御がうまくいかないかもしれません。
0.1秒以内に、圧力を一定に、というのであれば、PIDでは、難しいと思われます。また、コントロールバルブにも、開閉するのに時間が必要です。

あんまり補足になっていないかな？
具体的にお困りでしたら、ビュルケルトまでお問合せください。

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ダイヤフラムとは？

ダイヤフラムとは、機械部品の１種で、日本語では、隔離膜という感じです。

主に、バルブやポンプに使われています。
バルブでは、
１）プロセスバルブとしての、ダイヤフラムバルブ
　そのままの名前です（笑）。
　バルブは、流体を流す／止める　のを切り替えるのに、使います。
　この、流体を流す／止めるところに、ダイヤフラムという、ゴムの
　膜（これが、ダイヤフラム）を使います。
　ダイヤフラムはゴムなので、伸びたり縮んだりしますが、
　この弾性を利用します。
　ダイヤフラムの真ん中に弁棒を設け、この弁棒が上下することで、
　流路をダイヤフラムが遮断したり、開けたりします。
　ビュルケルトでは、
　・Type2030/2031 ダイヤフラム弁
　・Type2730/2731 ダイヤフラム型コントロール弁
　・Type2035 ロボラックス　などがあります。

２）ダイヤフラム電磁弁
　ビュルケルトでは、MicroFluidicsの、フリッパー電磁弁や
　ロッカー電磁弁が、それにあたります。
　電磁弁は、動作原理として、金属を使います。電磁石に引っ張られる
　ためには、金属の稼動部分が必要です。
　しかし、それでは薬液用や医療用、バイオ用など、金属を嫌う場合
　は、ちょっと問題ありますよね。
　そのため、この流路と金属部分を分離するために、ダイヤフラムを
　使用します。

３）ダイヤフラムポンプ
　これは、ダイヤフラムが上下することで、部屋の体積が上下する
　ことで、流体を吸ったり、吐いたりすることで、ポンプとして
　使用します。
　ビュルケルトでは、Type7604マイクロポンプや、Type7616
　ドージングユニット（ドージングポンプ）が、これにあたります。

バルブ以外では、圧力計の圧力を伝える役割もあります。
この場合、金属の薄い膜の場合もあります。

また、スピーカなどの音を伝える膜として、使われる場合もあるようです。

粘度と動粘度の関係

粘度というのは、流体の、粘っこさというか、ドロドロ度合いというか…
ま、そんな感じです（笑）
石油なんてのは、とってもドロドロしてますよね。だから、粘度が高いです。逆にアルコ