CN101767629A - 在固体表面形成微细气泡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在固体表面形成微细气泡的方法，更具体地说，为了减少固体表面因液体流动时所产生的摩擦阻力，在固体表面形成微米级的气泡的方法。该方法包括：微沟槽形成步骤，在固体表面排列形成多个1～1000微米大小的沟槽；疏水性处理步骤，在形成有沟槽的所述固体表面涂敷疏水性物质。由于在固体表面排列形成多个沟槽并进行了疏水性处理，上述固体表面入水后会在微沟槽处产生微细气泡，从而，利用空气气泡与液体之间产生的滑动来减少流动摩擦阻力。

Description

在固体表面形成微细气泡的方法
技术领域
本发明涉及一种在固体表面形成微细气泡的方法，更具体地说，为了减少接触液体的固体表面上的因流动所产生的流动摩擦阻力，在固体表面形成微米级的气泡的方法。
背景技术
直径大小为微米(μm)级的气泡，根据其大小应用于很多领域。例如，直径为10～40μm的气泡应用在生理活性化方面，40～100μm的气泡应用在流体物理方面，500～1000μm的气泡应用在减少船舶阻力方面等。
特别地，对于海洋运输工具来说，减少流动摩擦阻力的研究被认为是对应地球温室效应和环境污染的下一代高效节能技术。为了同赶超日本而位居世界第一的韩国造船海洋业进行国际竞争，美国、欧洲、日本等技术先进国也把该领域技术作为核心技术积极地进行研究。
减少流体流动时在流体与固体间产生的流动摩擦阻力，不仅在船舶领域，甚至在运输设备、流体设备以及利用管状体等的流体运输领域，也具有使能源损失最小化以便提高能源利用效率、减小流体噪音等附加效果。这种减少流动摩擦阻力的技术，作为代表性的研究对象是自适应表面法(compliantwall)、空气喷射法(air injection)、微壕沟法(riblet)和高分子聚合物注射法(polymer injection)。此外，还有利用电磁或超声波的固体表面振动技术等。
通过检测可知，海豚游动时的单位重量肌肉所产生的推动力是人类或陆地上哺乳动物的约7倍。在观察海豚的高速游动之后，认为其能够高速游动依赖于海豚的皮肤组织，从而引发了自适应表面法的研究。之后，克雷默(kramer)利用很薄的橡胶弹性薄膜制造出仿海豚皮的人造皮，将其套在细长物体表面测量阻力，得出最多可减少60％阻力的测试结果。但是，继承克雷默想法的研究中，还未能得到能证明该观点的结果，研究处于停滞状态。
空气喷射法是为了减少摩擦阻力在物体表面附近喷射微细气泡的方法。最近的研究结果表明，随着喷射气泡量的增加，摩擦阻力的减少量也增加，最多可减少80％的阻力，这点引起了大家的关注。
微壕沟是通过改变流动的组织结构来谋求减少摩擦阻力的机构，是在墙面沿着流向并列挖出小沟槽而形成的。只有沟槽的深度和宽度小于一定尺寸才能够有效地减少阻力，最多可减少8％的摩擦阻力；但是如果大于该规定值，反而增加阻力。实际上，为了在航空或船舶领域应用，需要在沟槽的分布方法、表面污损的影响等方面需要进一步研究。特别是应用于船舶领域时，最佳的沟槽深度或宽度约为0.1mm，但是，由于制作上的问题和防止海洋微生物附着等对策的原因，以现有技术很难实现。
高分子聚合物注射法是将高分子聚合物涂敷在固体表面，利用界面活性效果来减少摩擦阻力的方法。高分子聚合物溶液在几个～数百ppm的稀薄浓度溶液中可大大减少摩擦阻力。但是，高分子聚合物注射法存在污染环境的问题和聚合物的功能下降时其效果锐减的缺点。
在如上所述的减少流动摩擦阻力的技术中，为了提高今后的实用性，国内较多研究的是制造简单且易于控制的空气喷射法。
在美国，减少流动摩擦阻力的技术被认为属于军事技术，从2000年开始美国国防部高级研究计划局(DARPA)以减少50％以上的摩擦阻力为目标，实施了系统化的研究资助，很多研究所及大学正在进行着对多项技术的研究，其结果作为军事机密而未被公开。
在以前作为造船强国的日本，以未来的蓝海战略市场盈利为目的，为抢占具有高附加值的核心技术，向大学、研究所以及企业集中投入研究经费，开发着减少流动摩擦阻力的技术。
在韩国，认为国内的研究处于初级阶段。目前，在韩国科学技术院和浦项工大进行着利用微壕沟及聚合物粘贴等的有关低速的基础研究。韩国海洋研究院和现代重工业开始进行利用喷射微细气泡来减少流动摩擦阻力的技术研发。
利用空气喷射来减少摩擦阻力的技术，因其易于制造和控制，其研究最为活跃。但是，其存在传送到螺旋桨的空气气泡可减小推进力，浮力分布不均衡引起的船舶安全性的问题，以及气蚀(caritation)现象使螺旋桨的侵蚀增加和含有氧气的空气气泡使其表面严重腐蚀的问题。
发明内容
本发明提供一种在固体表面形成微细气泡的方法，在水下的希望位置可方便地自然生成微细气泡，由此，能够解决喷射空气时推动力减少、气蚀引起的侵蚀、喷射空气所需的外部装置等复杂问题。
本发明提供的一种在固体表面形成微细气泡的方法，包括微沟槽形成步骤和疏水性处理步骤。在上述微沟槽形成步骤，在固体表面排列形成多个1～1000微米大小的沟槽；在上述疏水性处理步骤，在形成有沟槽的上述固体表面涂敷疏水性物质。由于在固体表面排列形成有多个沟槽并进行了疏水性处理，上述固体表面入水后会在微沟槽处产生微细气泡。
本发明提供的另一种在固体表面形成微细气泡的方法，包括微细孔形成步骤和气压提供步骤。在上述微细孔形成步骤，在固体表面排列形成多个与加压部连通的1至1000微米大小的贯穿孔；在上述气压提供步骤，上述加压部向上述多个贯穿孔供给一定的气压。
另外，优选的是，上述在固体表面形成微细气泡的方法还包括疏水性处理步骤，在上述微细孔形成步骤之后，在形成有贯穿孔的固体表面涂敷疏水性物质。
根据本发明，由于在固体表面形成微细气泡，利用空气气泡与液体之间产生的滑动来减少流动摩擦阻力。
另外，本发明不仅作为减少摩擦阻力的技术应用，还可以在去除燃料电池在化学反应过程中发生的气体、生物领域利用空气气泡输送特定样品、以及IT领域利用空气气泡的光分配器等多种领域应用。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例涉及的在固体表面形成微细气泡方法的示意图。
图2是表示适用于图1所示实施例的固体表面的示意图。
图3是表示将图2所示的固体表面置于水中状态的剖视图。
图4是表示本发明的另一实施例涉及的在固体表面形成微细气泡方法的示意图。
图5是表示适用于图4所示实施例的固体表面的示意图。
图6是表示将图5所示的固体表面置于水中状态的剖视图。
图7是本发明涉及的在固体表面形成微细气泡方法的数据分析结果。
附图标记说明
10：固体表面            11：沟槽
13：疏水性表层          15：气泡
20：水                  30：气体表面
31：贯穿孔              33：疏水性表层
35：气泡                38：加压部
具体实施方式
图1是表示本发明的一实施例涉及的在固体表面形成微细气泡方法的示意图，图2是表示适用于图1所示实施例的固体表面的示意图，图3是表示图2所示的固体表面置于水中状态的剖视图。
参照图1至3说明本发明涉及的在固体表面形成微细气泡的方法的一实施例。
在固体表面形成微细气泡的方法，包括微沟槽形成步骤S10和疏水性处理步骤S20。
微沟槽形成步骤S10是在固体表面形成沟槽11的步骤，以便在固体表面10排列设置1～1000μm尺寸的沟槽。沟槽11的截面形状可以是四边形、三角形、梯形以及圆形等多种形状。
疏水性处理步骤S20是在形成有沟槽的固体表面上涂敷疏水性物质的步骤。经过疏水性处理步骤S20，在固体表面10形成了疏水性表层13。固体表面疏水性处理中，可使用化学物品、聚合物、金属等。
如果将上述固体表面10置于水中，在固体表面10的沟槽11处会产生气泡15。上述气泡15可减少与水20的摩擦力。
图4是表示本发明的另一实施例涉及的在固体表面形成微细气泡方法的示意图，图5是表示适用于图4所示实施例的固体表面的示意图，图6是表示将图5所示的固体表面置于水中状态的剖视图。
参照附图4至6说明本发明的另一实施例涉及的在固体表面形成微细气泡的方法。
在固体表面形成微细气泡的方法，包括微细孔形成步骤S50和疏水性处理步骤S60、以及气压提供步骤S70。
微细孔形成步骤S50是在固体表面形成贯穿孔31的步骤，以便在固体表面30排列设置与加压部38连通的1～1000μm尺寸的贯穿孔31。贯穿孔31在固体表面30连通至加压部38，其截面形状可以是四边形、三角形、梯形、圆形等多种形状。
疏水性处理步骤S60是在形成有贯穿孔31的固体表面涂敷疏水性物质的步骤。经过疏水性处理步骤S60，在固体表面30形成疏水性表层33。
在气压提供步骤S70，由加压部38向上述多个贯穿孔31供给一定气压。
如果将上述固体表面30置于水中，在固体表面30的贯穿孔31处产生气泡35。若采用图1所示的方法，当固体表面10下至水压较高的深度时，气泡15的尺寸因水压变小，气泡15会进入到沟槽11内部或者严重时发生破裂，这时，气泡不能减少流动摩擦阻力，因此该方法不适用于减少下潜至深水处的物体的流动摩擦阻力。但是，根据图4所示的方法，由于加压部38提供一定压力的气压，即使水压较高，气泡也不会发生破裂而被保持。因此，图4所示的方法可适用于减少下潜至深水处的物体的流动摩擦阻力。
图7是本发明涉及的在固体表面产生微细气泡方法的数值分析结果。为了确认利用附着在固体表面的微细气泡来减少流动摩擦阻力的可能性，进行了自由面(VOF)的二维数值分析。当通道的尺寸为高500μm、排列的微细气泡直径为100μm时，比较了入口流速为1m/s时所需压力，结果得出，气泡的存在使流动摩擦阻力减少了40％以上。

Claims (3)

1.一种在固体表面形成微细气泡的方法，其特征在于，包括：
微沟槽形成步骤，在固体表面排列形成多个1～1000微米大小的沟槽；
疏水性处理步骤，在形成有沟槽的所述固体表面涂敷疏水性物质。
2.一种在固体表面形成微细气泡的方法，其特征在于，包括：
微细孔形成步骤，在固体表面排列形成多个与加压部连通的1～1000微米大小的贯穿孔；
气压提供步骤，由所述加压部向所述多个贯穿孔供给一定的气压。
3.如权利要求2所述的在固体表面形成微细气泡的方法，其特征在于，还包括：
疏水性处理步骤，在所述微细孔形成步骤之后，在形成有所述贯穿孔的固体表面涂敷疏水性物质。
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