JP2008107065A - 電界を利用した溶媒の気化促進方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気化の大きな促進の効果を広い面積で維持することが可能となる電界を利用した、溶媒の気化促進方法を提供する。
【解決手段】所定値以上の電界強度を有する不平等電界を形成する不平等電界形成手段によって、気化面７のすべて又は一部が含まれるように電界形成したときに、この不平等電界中に含まれた気化面に接する気体を入れ替えることができる気体入替手段を設けて、この気体入替手段の入替能力と不平等電界形成手段の電界形成能力との一方または両方を制御することで、気化面の少なくとも中央部分近傍の気体を入れ替える。
【選択図】図６

Description

本発明は、電界を利用して溶媒を効率よく気化させる方法に関するものである。溶媒が水の場合は、水溶液の濃縮に使用できる。また、水溶液を含む物体の乾燥に使用できる。

溶媒を気化させる方法として、多く用いられる方法としては、溶媒を加熱することで気化を促進させる方法や減圧や送風により溶媒近傍の蒸気圧を低下させることで促進する方法などがある。さらに、気化を促進する方法として電界を使用した方法が考案されている。（例えば、特許文献１参照。）
登録番号１０１６５３９

図１は、従来例として、電界を使用して気化を促進させる方法の一例を示した。高電圧電源１で発生させた高電圧を針状電極２ａと平板電極３の間に印加する。平板電極３は接地４されている。気化させたい試料６は容器５に入れた状態で針状電極２ａと平板電極３との間に配置される。試料６の形態によっては容器５が不要となり、直接平板電極３の上に配置される場合もある。高電圧電源装置１で発生させた高電圧によって針状電極２ａと平板電極３の間に形成した不平等電界の中に試料６の気化面７が含まれている。気化面７からは試料６が気化していく。

図２は、図１で示した構成で気化させたい試料として水を用いた場合の促進効果を示したものである。縦軸の倍率は、図１で示した構成で気化を促進させたときの環境条件と同一の条件で、自然に気化した時の気化量、すなわち自然蒸発のときの気化量を１としたとき、何倍気化量が増えたかという比で表した数値である。横軸は、高電圧電源装置１で発生させる電圧の種類を表している。直流の正極、直流の負極、交流をそれぞれ＋、−、ＡＣと表した。電圧値はこの例ではそれぞれ１５ｋＶの高電圧となっている。
電圧の種類によって数値が異なっているが、自然に気化させた場合と比較して３．５〜７倍の範囲で気化量が増えている。

図３は、図１に示した構成で、図２に示した試料６として水を用いた場合の気化を促進させたときの気化量の分布を実際に測定して示したものである。図３は、分布を横方向から断面として表している。縦軸は、先に説明した倍率を表している。横軸は、図１の針状電極２ａの直下をゼロとしたときの直下からの距離を表している。図３には図１の針状電極２ａの位置を模式的に示すために針状電極１０ａとして示した。針状電極１０ａは、横軸で表した距離がゼロの位置に配置されている。

図３に示した結果から、針状電極１０ａの直下の倍率が一番大きな値となり、直下からの距離が大きくなるに従い、数値は急速に小さくなることがわかった。このことから、図１に示した一本の針状電極２ａと平板電極３で作る不平等電界は、気化させたい溶媒である試料６の気化面７を含むことになるが、気化の分布は気化面７で一様ではなく、場所によって気化の促進の程度が異なることがわかった。

図４は図１で示した構成を発展させて、より広い気化面６にでも対応出来るようにした従来例として示した。電極を複数個用意した構成で、不平等電界が気化面７を含む面積を増やし、気化促進の効果が及ぶ範囲を広くするために考案されたものである。

図５に図４の構成で試料６として水を使用し、気化させた場合の気化の分布を実際に測定して示した。図５に示したように、気化の促進効果を示す面積は電極の数に応じて拡がることがわかる。

しかし図５に示したように、気化の促進効果が現れる領域において、促進の効果を表す倍率は一定の大きさではなく、中央部分が小さくなることがわかった。また、電極の数をさらに増やして領域を拡げると、中央部分の倍率はより小さい値となり、小さな値の領域が広がっていくことがわかった。

発明が解決しようとする課題

図１の構成で気化を促進させる方法は図２に示したように数倍程度の効果を有しているが、図３に示したようにその効果が及ぶ領域は狭い範囲に限られている。実用的な乾燥機を目指す場合は、図１に示したような一本の針状電極２ａでは難しい。

図４に示した構成の針状電極２ｂのように電極の数を増やすことは、気化の促進の効果が現れる領域を拡げるという効果はあるが、中央部分に促進の効果が小さい領域が拡大していくために、実用的な乾燥機を製造する場合は、図４に示したような複数の針状電極２ｂでも難しい。このように電極の数を単純に増やすだけでは、大きな促進の効果を広い面積で維持できない。

以上のように、従来から提案されていた電界を用いた気化の促進方法では、実用的な広い面積で気化の大きな促進の効果を維持できない。このため、この従来方法を用いて、例えば実用的な乾燥機は作れない。

課題を解決するための手段

前記の気化の促進効果が現れるのは、２つの電極間の不平等電界によって発生するコロナ放電に伴って発生するイオンがイオン風となって試料の気化面に作用するためと考えられている。

不平等電界中に含まれる気化面の全体にイオン風は作用しているが、この気化面の周辺部分に作用するコロナ風によって中央部分の気体の入れ替えが進みにくい状態になっていると予想され、このため気化した溶媒の蒸気圧が気化面の中央部分で特に高くなり、飽和蒸気圧に近くなっていると考えられる。このため図５に示したように中央部分の促進効果が小さくなる。

本発明は、所定値以上の電界強度を有する不平等電界を形成する不平等電界形成手段によって、気化面のすべて又は一部が含まれるように電界形成したときに、この不平等電界中に含まれた気化面に接する気体を入れ替えることができる気体入替手段を設けて、この気体入替手段の入替能力と不平等電界形成手段の電界形成能力との一方または両方を制御することで、気化面の少なくとも中央部分近傍の気体を能動的に入れ替える。これにより従来例で示した問題点を解決し、気化の大きな促進の効果を広い面積で維持することが可能となる。

発明の効果

本発明では、気体入替手段の入替能力と不平等電界形成手段の電界形成能力との一方または両方を制御することで、従来例で示した問題点を解決し、気化の大きな促進の効果を広い領域で維持することが可能となる。これにより例えば、実用的な乾燥機が製造可能となるという効果がある。

図６は本発明の気化促進方法の実施の形態を示したものである。高電圧電源１で発生させた高電圧は、複数の電極で構成される針状電極２１、針状電極２２、針状電極２３に電圧調整器１０を通して接続し、平板電極３との間に印加する。平板電極３は接地４されている。気化させたい試料６は容器５に入れた状態で針状電極２１、針状電極２２、針状電極２３と平板電極３との間に配置される。試料６の形態によっては容器５が不要となり、直接平板電極３の上に配置される場合もある。高電圧電源１で発生させた高電圧によって針状電極２１、針状電極２２、針状電極２３と平板電極３との間に形成した不平等電界の中に試料６の気化面７が含まれている。気化面７からは試料６が気化していく。

不平等電界の中にある試料６の気化面７の中央部分上方には、中央部分の気体が送風機８で吸引されるように気体移送管１１の吸入口が配置されている。風速制御器９で送風機８の吸引力を制御することで、気化面７の中央部分の気体は、不平等電界の外部に排出されることになり、気体を入れ替えることができる。従って風速制御器９により気体の入替能力を制御できる。

図６において、電圧調整器１０により、針状電極２１、針状電極２２、針状電極２３への高電圧の印加を開始／停止または電圧値調整することにより電界形成能力を制御できる。これにより気化の促進効果を部分的に調整したり、イオン風の影響を部分的に制御できるため、気化面７の中央部分の気体入れ替えが、より効率良く進めることができる。

電界形成能力の制御は、針状電極２１、針状電極２２、針状電極２３すべてに対する制御であっても良いし、一部の針状電極に対する制御であっても良い。また、図６では、複数の電極で構成された３つの針状電極のグループに分けられた例を示しているが、電極の本数やグループ数はこの限りではない。また、電界強度は、印加電圧値と二つの電極間の距離によって決まるため、電界形成能力の制御は、電極間の距離の調整によって行っても良い。

図６では気体入替手段として、送風機８と気体移送管１１で吸引して排出する例を示しているが、気体を吹き出すことで入れ替える方法でも良い。気体の流れの向きを規定するものではない。また、少なくとも気化面の中央部分の気体を入替えすることが出来れば良いので、この目的が実施できるのであれば、送風機８や吸入口の位置を規定するものではない。

気体入替手段として、試料６自体又は針状電極、平板電極及び試料６をいっしょに、気体中で気体に対して相対的に移動させることで気化面近傍の気体の入れ替えを行っても良い。

図６では、高電圧電源１及び電圧調整器１０が各々１個の例を示したが、この数や組み合わせに限定するものではない。

図６では二つの電極として針状電極と平板電極の組合せを示したが、不平等電界を形成することができれば、線状電極と平板電極の組合せなどのように、他の組合せでも良い。また、平板電極は、板状の電極や網状の電極など穴を有するものであっても良い。

図７は本発明の気化促進方法の実施の形態を示したものである。高電圧電源１で発生させた高電圧は、電圧調整器１０を通して針状電極２ｂに接続し、平板電極３の間に印加する。平板電極３は接地４されている。気化させたい試料６は容器５に入れた状態で複数の針状電極２ｂと平板電極３との間に配置される。試料６の形態によっては容器５が不要となり、直接平板電極３の上に配置される場合もある。気化させたい試料６の気化面７近傍の気体を入れ替えるために送風機８を試料６の横に配置する。送風機８には、風速制御器９が接続されており、これにより気体の入替能力を制御する。また、電圧調整器１０によって電圧の印加について開始／停止の制御を行うことで電界形成能力を制御する。

電圧調整器１０によって電圧の印加を開始する際は、風速調整器９で気体の入替能力を小さくするか又は停止する。これにより、形成した電界により試料６は気化面７から気化する。次に電圧調整器１０によって電圧の印加を停止し、風速調整器９で気体の入替能力を大きくする。これにより、気化面７の中央部分の気体を入れ替える。風速を適度に制御することで送風機８による送風は、試料６の風上側の気体とともに中央部分の気体も入れ替えることになる。電圧の印加を停止することにより、イオン風の影響がなくなり、気体の入れ替えが効率的に行える。以後、上記の二つの動作を繰り返すことで気化を促進させることができる。

図７は、図６の構成で試験したときの気化する様子を示したものである。気体を入れ替える能力を有していない場合に現れた図５に示した中央部分の低い促進能力の領域は無くなり、図７中に針状電極１２ｂとして示した中央部分の促進能力はほぼ一定の高い値が維持されている。

グラフ横軸の距離１５ｃｍ付近の倍率が大きくなっており、距離が小さくなるに従ってその値が小さくなっている。これは、送風そのものによる気化の促進効果が風上側で現れているが、直下点ではその効果が小さいことを表している。図５に示した中央部分の低い促進能力の領域がなくなっていることは、送風そのものによる気化の促進効果ではなく、気化面の中央部分の気体を入れ替えたことによって改善されたものである。

図６では、送風機８は試料６の横方向に配置されているが、気化面７の中央部分近傍の気体を入れ替えることが出きれば、上方や下方に配置されていても良い。また、気体入替手段として送風機以外であっても良い。気体の減圧ポンプを用いて気体の排出による入れ替えであっても良い。

図９は本発明の気化の促進方法の他の実施例である。高電圧電源１で発生させた高電圧を複数の針状電極２ｃと平板電極３の間に印加する。平板電極３は接地４されている。気化させたい試料６は容器５に入れた状態で複数の針状電極２ｃと平板電極３との間に配置される。試料６の形態によっては容器５が不要となり、直接平板電極３の上に配置される場合もある。

図９では、針状電極７ｃは各々電極の長さを調整して平板電極３との距離を変えてある。このことにより（電圧／距離）で計算される電界強度が変わることになる。所定の電界強度が得られるように印加する電圧と距離を調整することで電界形成能力を制御している。この実施例では針状電極７ｃの中心が最も大きい電界強度を有しており、中心から離れるに従い、電界強度は小さくなっていく。このとき不平等電界によって発生するイオン風は、中心から周辺に向けた流れの向きを持つことになる。これにより試料６の気化面７近傍の気体は、中心から周辺へと移動することになる。これは気化面７の中央部分近傍の気体を入れ替える手段となっている。従って、この実施例は不平等電界形成手段と気体入替手段を兼ね備えたものとなっており、電極間距離や印加電圧を調整することで、各々手段の能力を制御できる。

図１０は、図９の構成で試験を行ったときの気化する様子を示したものである。気体を入れ替える能力を有していない場合に現れた図５に示した中央部分の低い促進能力の領域は無くなり、図１０中に針状電極１２ｃとして示した中央部分の促進能力はほぼ一定の高い値が維持されている。

図９は、電極の構成、高電圧電源の数を規定するものではない。また、気体入替手段を他の方法で補っても良い。

図１１は本発明の実施例を用いて、食材の乾燥に利用した場合の気化促進効果を示した。実施例として図７に示した構成で試験を行っている。試料６としてオカラを用いており、気化させたい溶媒は水となる。送風機８の気体入れ替え能力を風速制御器９で制御している。図１１中では、この気体入れ替え能力を風速として表わしている。気化の促進効果は、乾燥速度の大小で表しており、乾燥速度が大きいほど気化の促進能力は大きいことになる。

電界がない場合は、風速が大きくなるに従い、乾燥速度で表わした気化の促進効果が大きくなっていく。これは送風そのものによる気化の促進効果を示している。電界を利用して気化を促進した場合は、風速の大きさに関係なく、大きな乾燥速度を有していることがわかる。このことからも風速は必ずしも大きなものは必要ではなく、気化面の中央部分近傍の気体を入れ替えることができれば、電界を利用した気化の促進ができることがわかる。

このように本発明の電界を利用した溶媒の気化促進方法は、乾燥機への利用も可能であり、産業上の利用価値がある。実施例で示したように必ずしも強い風の送風を行わなくても乾燥を促進できることから、省エネルギー化の可能性がある。弱い風の送風であっても乾燥を促進できることから、風速むらに伴う乾燥むらを防止できる可能性がある。

従来の電界を利用した気化促進方法の実施の形態例を示した図（断面図） 従来の電界を利用した気化促進方法を実施した際の促進効果の一例を示したグラフ 図１で示した形態例で実施した際の促進効果の分布の一例を示したグラフ 従来の電界を利用した気化促進方法の実施の形態例を示した図（断面図） 図４で示した形態例で実施した際の促進効果の分布の一例を示したグラフ 本発明を実施するための最良の形態を示した図（断面図） 本発明の電界を利用した気化促進方法の実施の形態例を示した図（断面図） 図７で示した形態例で実施した際の促進効果の分布の一例を示したグラフ 本発明の電界を利用した気化促進方法の実施の形態例を示した図（断面図） 図９で示した形態例で実施した際の促進効果の分布の一例を示したグラフ 本発明の電界を利用した気化促進方法で、食品を乾燥させたときの乾燥特性曲線の一例を示したグラフ

符号の説明

１ 高電圧電源
２ａ 針状電極
２ｂ 複数の針状電極
２ｃ 複数の針状電極
３ 平板電極
４ 接地
５ 容器
６ 試料
７ 気化面
８ 送風機
９ 風速制御器
１０ 電圧調整器
１１ 排気管
１２ａ 針状電極
１２ｂ 複数の針状電極
１２ｃ 複数の針状電極
２１ 複数の針状電極
２２ 複数の針状電極
２３ 複数の針状電極

Claims (1)

1. 気化させたい溶媒の又はこの溶媒を含む物体の、溶媒が気化する気化面と、所定値以上の電界強度を有する不平等電界を形成する不平等電界形成手段とがあって、不平等電界の中に気化面のすべて又は一部が含まれるように電界形成したときに、この不平等電界中に含まれた気化面に接する気体を入れ替えることができる気体入替手段を設けて、この気体入替手段の入替能力と不平等電界形成手段の電界形成能力との一方または両方を制御して、不平等電界中に含まれた気化面の少なくとも中央部分近傍の気体を入れ替えることで溶媒の気化を促進させることを特徴とした電界を利用した溶媒の気化促進方法

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