JP2020183077A - 液体浸透方法、及び液体浸透装置 - Google Patents
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Abstract
Description
多孔質体に液体を浸透させる液体浸透方法であって、
前記多孔質体が格納され、前記液体が充填された半開放系のチャンバーにおいて、前記液体にキャビテーションを発生させるキャビテーション生成工程を包含することにある。
前記キャビテーション生成工程は、前記半開放系のチャンバーを打撃して前記液体に衝撃波を発生させる打撃工程を包含することが好ましい。
前記打撃工程は、前記衝撃波において前記液体が最初に正圧となる期間の継続時間をTp1、前記衝撃波において前記液体が最初に負圧となる期間の継続時間をTn1としたとき、前記衝撃波が以下の式(1):
Tn1/Tp1 ≧ 2 ・・・(1)
を満たすように実行されることが好ましい。
前記半開放系のチャンバーは、前記多孔質体を格納する格納室と、前記格納室に一端部が接続されるとともに、他端部が大気に開放された開放管とを備えるものであり、
前記キャビテーション生成工程の前に、
前記多孔質体を前記格納室に格納する格納工程と、
前記格納室の空間を前記液体で満たすとともに、前記開放管の前記一端部と前記他端部との間に前記液体の液面が形成されるように、前記半開放系のチャンバーに前記液体を充填する液体充填工程と、
を実行することが好ましい。
前記格納工程の前に、前記多孔質体に前記液体を減圧注入する前処理工程を実行することが好ましい。
前記格納工程において、前記多孔質体を前記格納室に格納した後、前記開放管を一時的に閉鎖して前記格納室内で前記多孔質体周辺を減圧することにより前記多孔質体の内部を負圧状態としてから、前記液体充填工程において、前記格納室に前記液体を充填することにより前記多孔質体に前記液体を減圧注入し、その後、前記多孔質体周辺を常圧に戻すことが好ましい。
前記多孔質体に前記液体を減圧注入する前に、前記多孔質体に小型化処理、及び/又はインサイジング処理を施すことが好ましい。
前記多孔質体は、木質系材料であることが好ましい。
多孔質体に液体を浸透させる液体浸透装置であって、
前記多孔質体を格納する半開放系のチャンバーと、
前記半開放系のチャンバーに前記液体を充填する液体充填手段と、
前記液体にキャビテーションを発生させるキャビテーション生成手段と、
を備えることにある。
前記半開放系のチャンバーは、前記多孔質体を格納する格納室と、前記格納室に一端部が接続されるとともに、他端部が大気に開放された開放管とを備えることが好ましい。
前記キャビテーション生成手段は、前記半開放系のチャンバーを打撃して前記液体に衝撃波を発生させる打撃部を含むことが好ましい。
前記多孔質体は、木質系材料であることが好ましい。
図1は、液体浸透装置1の構成図である。液体浸透装置1は、防腐剤、防虫剤、不燃剤等の改質剤溶液や水等の液体(以下、単に「液体」と称する。)を、液体が均一に浸透し難い多孔質体へ浸透させるために用いられる。液体が均一に浸透し難い多孔質体としては、例えば、木材、集成材、合板、単板積層材(LVL:Laminated Veneer Lumber)、パーティクルボード、ファイバーボード、及び木材・プラスチック複合材(WPC:Wood−Plastic Composites)等の木質系材料、農産物、食品、セラミックス、ポーラス金属、並びに繊維強化材料前駆体等が挙げられる。液体浸透装置1は、チャンバー10、液体充填手段である給液ポンプ20、及びキャビテーション生成手段30を備え、さらに任意の構成として、減圧ポンプ40、及び圧力計50を備えている。
Tn1/Tp1 ≧ 2 ・・・(1)
を満たすように被打撃部32を打撃することが好ましく、以下の式(2):
Tn1/Tp1 ≧ 4 ・・・(2)
を満たすように被打撃部32を打撃することがより好ましく、以下の式(3):
Tn1/Tp1 ≧ 7.5 ・・・(3)
を満たすように被打撃部32を打撃することがさらに好ましい。式(1)の条件を満たすことにより、初期負圧継続時間が十分に長くなるためキャビテーション気泡が大きなサイズに成長しやすくなり、気泡の崩壊によって浸透阻害部をより強力に打撃し貫通することによって多孔質体への液体の浸透をさらに促進することができる。
液体浸透装置1において実行される液体浸透方法を説明する。図2、図3は、本発明に係る液体浸透方法の工程図である。本発明に係る液体浸透方法は、キャビテーション生成工程(図3(a)〜(b))を実行することにより、多孔質体内部への液体の浸透を促進させるものであるが、さらに任意の工程として、キャビテーション生成工程の実行前に、半開放系のチャンバー10に多孔質体が格納され、液体が充填された状態とするために、格納工程(図2(a))、及び液体充填工程(図2(b)〜(c))を実行することができる。特に、格納工程、及び液体充填工程では、キャビテーションによる浸透の促進をより効果的なものとするために、減圧注入法によって予め多孔質体内部の比較的深部にある浸透阻害部にまで液体を浸透させた状態とすることが好ましい。
半開放系のチャンバーへの打撃により、チャンバーに格納された多孔質体の内部でキャビテーションが発生することを、モデル実験によって確認した。モデル実験では、多孔質体に浸透させる液体として水を用いた。図4は、半開放系のチャンバーにおけるモデル実験の圧力の時間変化を示すグラフである。図5は、密閉系のチャンバーにおけるモデル実験の圧力の時間変化を示すグラフである。
繊維方向を長手方向にとった寸法15mm×15mm×150mmのキリの心材(実施例1〜4)、及びベイヒバの心材(実施例5〜10)を、送風乾燥機にて105℃で全乾状態にしたものを供試多孔質体として用いた。供試多孔質体の全乾密度は、実施例1〜4の平均値が0.279g/cm3、実施例5〜10の平均値が0.492g/cm3であった。
前処理工程、及びキャビテーション生成工程を順に実行した。また、供試多孔質体の飽水状態での体積(Vs)を測定するために、キャビテーション生成工程の実行後に飽水処理を行った。
前処理工程:
供試多孔質体の全乾状態での質量(m0)を測定後、内径2.9cm、高さ55cmのポリカーボネート樹脂製容器に供試多孔質体を格納して、容器内を0.8kPaに減圧した。減圧状態を60分間維持した後に、容器内に22〜24℃の水を注入した。以降の手順では、注水開始時を基準時点として、処理時間を示す。基準時点から6秒後、供試多孔質体の全体が浸漬した状態で注水を停止し、常圧になるまで容器内に空気を導入した。その後、供試多孔質体の全体が浸漬した状態を維持し、基準時点から10分後、供試多孔質体を容器から取り出して、前処理工程後の質量(mi)を測定した。
本発明の液体浸透装置を用い、キャビテーション生成工程を実行した。液体浸透装置のチャンバーは、平均内径2.4cm、高さ34cmの金属製容器で格納室を構成した。開放管は、格納室側壁に水が通流可能に取り付けた内径4mmのABS樹脂管3cmと金属製バルブ5.5cmを直結して水平方向に8.5cm延伸させた後、金属製バルブから内径4mmのABS樹脂管を上方に3.8cm延伸させて管部を構成し、管部の上端に接続したスチレン樹脂製のポットでポット部を構成した。
キャビテーション生成工程後の供試多孔質体を密閉容器に格納し、供試多孔質体の全体が水に浸漬するように容器内に水を充填した。浸漬開始から3日後、飽水状態となった供試多孔質体を取り出して、飽水状態での体積(Vs)を測定した。
繊維方向を長手方向にとった寸法15mm×15mm×150mmのキリの心材(比較例1〜4)、及びベイヒバの心材(比較例5〜10)を、送風乾燥機にて105℃で全乾状態にしたものを供試多孔質体として用いた。供試多孔質体の全乾密度は、比較例1〜4の平均値が0.279g/cm3、比較例5〜10の平均値が0.491g/cm3であった。
前処理工程、及びキャビテーション生成工程を順に実行した。また、供試多孔質体の飽水状態での体積(Vs)を測定するために、キャビテーション生成工程の実行後に飽水処理を行った。
前処理工程:
実施例1〜10と同様の装置、及び手順により、前処理工程を実行した。
実施例1〜10に用いた液体浸透装置において、開放管の管部に設けたバルブを、各打撃工程において実行3秒前に閉じ、実行3秒後に開いた。それ以外はバルブを常に開放し、実施例1〜10と同様の手順により、キャビテーション生成工程を実行した。図6(b)は、キリを用いた比較例1におけるキャビテーション生成工程での1回の打撃による圧力の時間変化を示すグラフであり、図7(b)は、ベイヒバを用いた比較例5におけるキャビテーション生成工程での1回の打撃による圧力の時間変化を示すグラフである。
実施例1〜10と同様の装置、及び手順により、飽水処理を実行した。
繊維方向を長手方向にとった寸法15mm×15mm×150mmのキリの心材(比較例11〜14)、及びベイヒバの心材(比較例15〜20)を、送風乾燥機にて105℃で全乾状態にしたものを供試多孔質体として用いた。供試多孔質体の全乾密度は、比較例11〜14の平均値が0.274g/cm3、比較例15〜20の平均値が0.492g/cm3であった。
前処理工程、及びキャビテーション生成工程を順に実行した。また、供試多孔質体の飽水状態での体積(Vs)を測定するために、キャビテーション生成工程の実行後に飽水処理を行った。
前処理工程:
実施例1〜10と同様の装置、及び手順により、前処理工程を実行した。
基準時点から12分後から42分後までの間に、打撃工程を実行することなく、供試多孔質体を格納室内で水に浸漬したままにした。それ以外は、実施例1〜10と同様の装置、及び手順により、キャビテーション生成工程を実行した。
実施例1〜10と同様の装置、及び手順により、飽水処理を実行した。
本発明の特徴構成を有する液体浸透方法によって水を浸透させた供試多孔質体(実施例1〜10)、及び、発明の特徴構成を有しない液体浸透方法によって水を浸透させた供試多孔質体(比較例1〜20)について、木材実質の密度をρw、水の密度をρlとし、液体浸透方法の実施時に測定した供試多孔質体の全乾状態での質量m0、前処理工程後の質量mi、及び飽水状態での体積Vsを用いて、前処理工程での供試多孔質体への水注入量の指標となる前処理工程後の空隙充填率φiを、下記の式(4)より算出した。
空隙充填率φi[%] = 100 × (mi−m0) / {ρl×(Vs − m0/ρw)} ・・・(4)
さらに、液体浸透方法の実施時に測定した供試多孔質体の全乾状態での質量m0、キャビテーション生成工程後の質量mw、及び飽水状態での体積Vsを用いて、下記の式(5)よりキャビテーション生成工程後の空隙充填率φwを算出し、キャビテーション生成工程での供試多孔質体への水注入量の指標として、キャビテーション生成工程での空隙充填率の変化φw−φiを得た。
空隙充填率φw[%] = 100 × (mw−m0) / {ρl×(Vs − m0/ρw)} ・・・(5)
供試多孔質体の全乾状態での体積(33750mm3)をV0とし、飽水状態での体積をVsとして、下記の式(6)より各供試多孔質体について飽和状態での体積膨潤率を算出し、キリを用いた実施例1〜4、比較例1〜4、及び比較例11〜14、並びにベイヒバ材を用いた実施例5〜10、比較例5〜10、及び比較例15〜20について、平均値を求めた。
体積膨潤率[%] = 100 × (Vs−V0) / V0 ・・・(6)
10 チャンバー(半開放系のチャンバー)
11 格納室
12 開放管
20 給液ポンプ(液体充填手段)
30 キャビテーション生成手段
31 打撃部
Claims (12)
- 多孔質体に液体を浸透させる液体浸透方法であって、
前記多孔質体が格納され、前記液体が充填された半開放系のチャンバーにおいて、前記液体にキャビテーションを発生させるキャビテーション生成工程を包含する液体浸透方法。 - 前記キャビテーション生成工程は、前記半開放系のチャンバーを打撃して前記液体に衝撃波を発生させる打撃工程を包含する請求項1に記載の液体浸透方法。
- 前記打撃工程は、前記衝撃波において前記液体が最初に正圧となる期間の継続時間をTp1、前記衝撃波において前記液体が最初に負圧となる期間の継続時間をTn1としたとき、前記衝撃波が以下の式(1):
Tn1/Tp1 ≧ 2 ・・・(1)
を満たすように実行される請求項2に記載の液体浸透方法。 - 前記半開放系のチャンバーは、前記多孔質体を格納する格納室と、前記格納室に一端部が接続されるとともに、他端部が大気に開放された開放管とを備えるものであり、
前記キャビテーション生成工程の前に、
前記多孔質体を前記格納室に格納する格納工程と、
前記格納室の空間を前記液体で満たすとともに、前記開放管の前記一端部と前記他端部との間に前記液体の液面が形成されるように、前記半開放系のチャンバーに前記液体を充填する液体充填工程と、
を実行する請求項1〜3の何れか一項に記載の液体浸透方法。 - 前記格納工程の前に、前記多孔質体に前記液体を減圧注入する前処理工程を実行する請求項4に記載の液体浸透方法。
- 前記格納工程において、前記多孔質体を前記格納室に格納した後、前記開放管を一時的に閉鎖して前記格納室内で前記多孔質体周辺を減圧することにより前記多孔質体の内部を負圧状態としてから、前記液体充填工程において、前記格納室に前記液体を充填することにより前記多孔質体に前記液体を減圧注入し、その後、前記多孔質体周辺を常圧に戻す請求項4に記載の液体浸透方法。
- 前記多孔質体に前記液体を減圧注入する前に、前記多孔質体に小型化処理、及び/又はインサイジング処理を施す請求項5又は6に記載の液体浸透方法。
- 前記多孔質体は、木質系材料である請求項1〜7の何れか一項に記載の液体浸透方法。
- 多孔質体に液体を浸透させる液体浸透装置であって、
前記多孔質体を格納する半開放系のチャンバーと、
前記半開放系のチャンバーに前記液体を充填する液体充填手段と、
前記液体にキャビテーションを発生させるキャビテーション生成手段と、
を備える液体浸透装置。 - 前記半開放系のチャンバーは、前記多孔質体を格納する格納室と、前記格納室に一端部が接続されるとともに、他端部が大気に開放された開放管とを備える請求項9に記載の液体浸透装置。
- 前記キャビテーション生成手段は、前記半開放系のチャンバーを打撃して前記液体に衝撃波を発生させる打撃部を含む請求項9又は10に記載の液体浸透装置。
- 前記多孔質体は、木質系材料である請求項9〜11の何れか一項に記載の液体浸透装置。
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