JP2520801B2 - 中空液滴流による液体移動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内部に気泡をもつ中空液
滴流を形成させることにより液−液接触を行うようにし
た、熱交換又は物質交換に適用できる液体移動装置、あ
るいはディスプレイ等に使用することができる液体移動
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体相互の熱交換、あるいは液−
液抽出その他の液体相互の物質交換を行わせるために行
われる液−液接触においては、液体相互の接触をはかる
手段として種々の手段が考えられ、その一つとして、容
器内に比重の大きい方の液体を満たし、その容器の底か
ら前記液体と混和しない、比重の小さい別の液体を噴出
分散させ、その液体の液滴を比重の大きい液体中を浮力
の作用によって上昇させることにより液−液接触を行う
ものがある。

【０００３】また、これとは逆に容器内に比重の小さい
方の液体を満たし、その容器の上部から比重の大きい液
体を散布してその液体の液滴を比重の小さい方の液体中
に重力により下降させて液−液接触を行うことができ
る。その他、棚段塔方式とか、下記液−液抽出などで知
られた各種方式が適用されている。

【０００４】これらの液滴を形成させる方式では、容器
の上方あるいは下部に上昇あるいは下降してきた液体の
液滴を集めて前記液体の層を形成させて、前記液体を回
収している。そして、この液−液接触を連続的に行うと
きには、この回収した液体をそのままか、あるいは他の
工程を経た後、容器の底部あるいは上部に循環される場
合がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの液滴
を形成させる方式では、その接触させうる液体の量、つ
まり処理能力は液滴の移動速度で決まるところ、この液
滴の移動速度は両液体の比重差によるものであり、一般
に液体においてはあまり比重に差がなく、特に有機溶媒
相互ではその比重差が小さいから、処理能力を大きく取
れないという問題がある。

【０００６】また、液滴形成の方式では、液滴の大きさ
が小さいほど液体単位量当りの接触面積が大きくなって
処理能力を大きくすることができるが、液滴が小さくな
ると液滴の移動速度が小さくなって逆に処理能力を小さ
くするし、さらに前記の比重差の問題も重なって、液滴
が十分に分離できなくなったり、その液体の液層中に他
の液体が混入してしまい、その液体を良好な状態で回収
することができないという欠点がある。

【０００７】そして、その液体を再使用するために循環
するさいには、その液体を容器の上部あるいは底部から
容器の底部あるいは上部へ直接あるいは間接に送るのに
液体ポンプを使用する必要があり、引火し易い有機溶媒
などを用いているさいには可動部分をもつ液体ポンプを
使用することは危険防止上好ましいことではない。

【０００８】本発明は、液滴を形成して液−液接触を行
なうさいに液滴の移動速度を大きくして処理能力を大き
くすることができる液体の移動装置を提供することを目
的とするものである。

【０００９】また、本発明は、液滴を形成して液−液接
触などを行った後に回収された液体を循環使用するのに
液体ポンプを必要とせず、簡単な装置で循環を行うこと
ができるようにした液体移動装置を提供することを目的
とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、一方の液体中
に気体を噴出させて内部に気泡を含む中空液滴を形成さ
せるときには、その中空液滴が他方の液体中を速やかに
上昇し、上方の自由表面でその中空液滴が破壊されて、
一方の液体が回収され、その一方の液体が他方の液体よ
りも比重が大きいときには、その一方の液体をその比重
差で他方の液体中を下降させることができることを見出
してなされたものである。

【００１１】すなわち、本発明は、底部に底部に中空液
滴形成用の気体を噴出させるための微小孔を有し、底部
上に中空液滴を形成しうる第１の液体の層を有し、その
層の上に第１の液体と混和せず、かつ比重が第１の液体
よりも小さい第２の液体が満たされた容器に、第２の液
体が満たされ、上方に自由表面をもつ、中空液滴を上昇
させるための上昇部を連設し、かつ前記自由表面で中空
液滴が脱気して液滴を形成する部位の下方に、第２の液
体が満たされた、前記液滴を下降させるための下降部を
設けたことを特徴とする中空液滴流による液体移動装置
によってその目的を達成した。

【００１２】底部に気体を噴出させるための微小孔を有
する容器に第１の液体を入れてその液体層を形成させ、
その層の上に第１の液体と混和せず、かつ比重が第１の
液体よりも小さい第２の液体を満たして、前記微小孔か
ら気体を垂直上方に噴出させるときには該気体は小さな
気泡ないし細長い気泡として第１の液体中に入り、気泡
を含んだ第１の液体は第２の液体中に盛り上り、切断さ
れて第１の液体で囲んだ内部に気体を有する中空液滴が
第２の液体中に連続的に形成される。この中空液滴は内
部に気体を有するため浮力が大きく速やかに上昇する。

【００１３】この中空液滴が容易に形成される条件を選
択することが好ましく、そのためには中空液滴がある程
度より大きいと破壊し易いから、気体を噴出させるため
の前記微小孔の孔径は比較的小さいものとするのがよ
い。また、第１の液体と第２の液体の物性、特に界面張
力、粘度などの相互関係によって中空液滴の安定性、ひ
いては中空液滴の形成の容易性が著しく異なるので、両
者の組合せについては十分考慮する必要があり、それら
の物性を変えるために必要によりこれら液体に例えば界
面活性剤などを添加することができる。

【００１４】前記容器に連設される上昇部は、前記容器
を上方まで延長しその内に設けられるようにしてもよ
く、そのさい前記容器内に仕切壁を設けなくてもよい
が、設けるようにすることもできる。この上昇部を中空
液滴が上昇して、自由表面に達すると第２の液体により
囲まれていたことによるバランスが崩れるため、その附
近で破壊されて気体を放出し、中空液体の第１の液体は
集まって液滴を形成する。この第１の液体からなる液滴
はその比重が第２の液体よりも大きいのでその液滴形成
部位の下に設けた第２の液体で満たされた下降部を下降
する。前記上昇部及びこの下降部を一つの容器内に有す
る場合には、下降部を下降した液滴は容器底部上の第１
の液体中に入る。このように第１の液体は容器内を循環
させることができる。

【００１５】また、前記容器に連設される上昇部を容器
とは別の上昇路として曲設し、その上昇路の上方を第２
の液体を満たした垂直容器の上方に連結して、自由表面
を前記気体噴出用微小孔の直上よりもずれた位置に形成
するときには、形成された中空液滴は曲った上昇路を上
昇し、自由表面で破壊されて液滴となり、この液滴は垂
直容器の下降部を下降し、垂直容器の下部に第１の液体
の液溜を形成する。このようにすると、容器底部の第１
の液体を垂直容器下部の前記液溜へ移動させることがで
きる。前記液溜と容器底部との間に弁を有する液通路を
設ければ、垂直容器底部の液溜が容器の第１の液体層よ
り液柱の高さが大きいときには、前記液溜から容器へ第
１の液体を送ることができ、前記通路に設けた二股弁の
弁開度を調節することによって、その送る量を変えるこ
とができる。

【００１６】

【作用】本発明によれば、第１の液体と第２の液体との
界面で内部に気泡を有する第１の液体からなる中空液滴
が形成されるため比重の大きな方の第１の液体からなる
中空液滴が比重の小さい方の第２の液体中を上昇する。
そして、この中空液滴は上昇部中の第２の液体の自由表
面で破壊し、液滴となり、この第１の液体からなる液滴
は比重が第２の液体より大きいため下降部の第２の液体
中を下降する。これにより、第１の液体を第２の液体に
対して可動機械を用いることなく移動させることができ
る。

【００１７】この場合、第１の液体の温度を第２の液体
の温度と異なったものとすると、両者の間で熱移動、す
なわち熱交換を行うことができる。また、第１の液体が
被抽出成分含有液で第２の液体が抽出溶媒であるとする
と、両者の間で液−液抽出という物質交換（物質移動）
を行うことができる。第１の液体が抽出溶媒で、第２の
液体が被抽出成分含有液であってもよい。物質交換とし
ては液−液抽出の外各種の操作を行うことができるが、
反応を促進するのに用いることもできる。また、特殊な
ポンプとして使用できる。

【００１８】また、第１の液体や第２の液体を有色のも
のとし、あるいはさらに光学的に美観のあるものを用い
るときには気体の噴出のみで長時間動かすことができる
ので、人目を引くためのディスプレイとして用いること
ができる。

【００１９】第１の液体及び第２の液体としては中空液
滴の形成に適したものを選択使用するが、第１の液体と
しては比重を大きなものとすることから水溶液が好まし
いが、有機溶媒でもよい。また、第２の液体としては有
機溶媒などを用いるのが好ましい。

【００２０】ポンプの作用を確認するために実験を行っ
たが、その実験を実施した液−液系の具体例を以下に示
す。いずれも中空液滴が形成された。 第１の液体 第２の液体 蒸留水（黒インク微小添加） ケロシン グリセリン水溶液（重量濃度２３，４４，５５％） ケロシン エタノール水溶液（重量濃度６，１８％） ケロシン 黒インク ケロシン 蒸留水（黒インク微小添加） シリコンオイル（１０， ２０ｃｓ） 蒸留水（黒インク微小添加） ケロシン−シリコンオイ ル（１０ｃｓ）混合液 （体積比１：１，２： １，３：１） 黒インク シリコンオイル（１０， ２０ｃｓ） 黒インク ケロシン−シリコンオイ ル（１０ｃｓ）混合液 （体積比１：１，２： １，３：１） 溶融塩ＨＴＳ タービンオイルＩＳＯ− ＶＧ３２

【００２１】

【実施例】以下、実施例によって本発明を詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるもので
はない。 実施例１ 一つの容器内に中空液滴の上昇部と液滴の下降部を設け
た構造の液体移動装置の例を図１に示す。

【００２２】この液体移動装置１は、図１に示すように
円筒容器２の底部３の中央に気体噴出用の微小孔４が設
けられ、これに気体の供給管５が接続されている。円筒
容器２の下部には比重の大きい第１の液体６として、模
擬試験上市販の黒インク（同じ符号の６で表わす）を液
層の高さが１０ｃｍになるように入れ、その上に第２の
液体７として市販の灯油（同じ符号の７で表わす）を液
層の高さが３０ｃｍになるように満たす。

【００２３】気体供給管５から空気を連続的に送り、気
体噴出用の微小孔４から噴出させ、気泡を内部に有し、
外側が黒インクからなる中空液滴８が連続的に生成する
ように、その噴出速度及び供給量を調節する。ここで生
成した中空液滴８はその浮力により垂直に上昇する。そ
のさい灯油７はこの中空液滴８の上昇運動などによって
運動力を与えられて図面に示すような対流を生ずる。図
中、中空液滴８などの運動方向を矢印で示す。

【００２４】上昇する中空液滴８は灯油７の液面である
自由表面９に到達後、対流に乗って円筒容器２の周壁方
向に移動しながら崩壊する。中空液滴８は崩壊のさい空
気を放出し、通常の液滴９となり、この黒インクの液滴
９は灯油７よりも比重が大きいので灯油７中を下方へ下
降し、円筒容器２の下部の黒インク６の液層と合体す
る。中空液滴８が上昇する部分が上昇部１１に当り、液
滴９が下降する部分が下降部１２に当るが、この場合に
は各部について格別区壁などを設けない。

【００２５】以上のプロセスにより、空気の吹込みのみ
により黒インク６を円筒容器２内を上下に循環すること
ができるため、構造が簡単である。例えば、第１の液体
側の温度をよく高くしておくときには、第１の液体から
第２の液体へ熱交換により熱を移動させることができ、
その熱移動量は、中空液滴の生成量、すなわち、空気の
吹込量により変えることができる。

【００２６】円筒容器の下部には第１の液体の供給管１
３及び排出管１４を設けることができ、例えば熱交換の
場合、温度が高い黒インク６を供給管１３から円筒容器
２に入れ、温度が下った黒インク６を排出管１４から排
出させるようにすることができる。

【００２７】この装置では、微小孔の数を増加すればそ
の能力を増加することができる。また、この構造の装置
では、中空液滴を連続的に生成させ、自動的に循環する
ことができるので、円筒容器を透明なアクリル樹脂製の
ものとすると、観賞用のディスプレイ装置として用いる
ことができる。 実施例２ 中空液滴の上昇部と液滴の下降部とを別々の容器で形成
し、それらを連絡することにより、液体を別の容器に移
送するようにした液体移動装置の例を図２に示す。

【００２８】この液体移動装置２１は、図２に示すよう
に、折れ曲がり容器２２と直立容器２３とからなってお
り、折れ曲がり容器２２の上端は直立容器２３の上部に
接続し、連通しており、これらの容器はいずれも透明ア
クリル樹脂製である。折れ曲がり容器２２の底部２４に
は直径０．４ｍｍの気体噴出用の微小孔２５が設けら
れ、これに気体供給管２６が接続されている。また、折
れ曲がり容器２２の下部には供給管２７から第１の液体
２８として黒インク（同じ符号の２８）が供給されてそ
の液層が形成され、この液層の上には第２の液体２９と
して灯油（同じ符号の２９）が満たされ、この灯油２９
は直立容器２３にも満たされ、その折れ曲がり容器２２
との接続部よりも上方に自由表面（液面）３０を形成さ
せておく。なお、両容器に灯油を満たした後に、供給管
２７から黒インク２８を導入してもよい。

【００２９】気体供給管２６から空気を連続的に送り、
気体噴出用の微小孔２５から噴出させ、気泡を内部に有
し、外側が黒インクからなる中空液滴３１が連続的に生
成するように、その噴出速度及び供給量を調節する。こ
こで生成した中空液滴３１はその浮力で上昇するが、折
れ曲がり容器２２の上方のゆるやかに折れ曲がった上昇
部３２に沿って上昇し、直立容器２３の上方に入って自
由表面３０に到達し、そこで崩壊し、空気を放出し、直
径４．５ｍｍの通常の液滴３３となる。微小孔２５から
噴出させる空気の流量は２ｍｌ／ｓとした。

【００３０】この黒インクからなる液滴３３は灯油２９
より比重が大きいので、直立容器２３の灯油２９で満た
された下降部３４を下降し、直立容器の底部に達して、
そこに黒インク２８の液層を形成する。ここに溜った黒
インクを排出管３５から排出させることができる。この
排出管３５から排出された黒インクを供給管２７に送れ
ば図１の装置と同様に循環することができる。

【００３１】しかし、図２の装置の特徴は、第１の液体
を第２の液体と接触した後に接触前のものと分離して取
り出すことができることである。このため、この装置で
は第１の液体を第２の液体と接触させて、熱交換あるい
は物質交換をした後のものを取り出すことができるの
で、処理の効率がよい。

【００３２】なお、この構造の装置で、折れ曲がり容器
の形状はその折れ曲がりの角度、その長さなど自由に設
定することができる。図２の装置では、折れ曲がり容器
の下部が２つの液体層を収容する容器に相当し、折れ曲
がり容器の中央部及び上部並びに直立容器の上部が前記
容器に連設した上昇部に相当する。また直立容器は自由
表面の下の下降部に相当する。

【００３３】

【発明の効果】本発明では、第１の液体から中空液滴を
形成することにより、第１の液体をそれとは混和しない
第２の液体中を移動させることができ、かつ速く移動さ
せることができる。また、この中空液滴の形成により比
重の大きい第１の液体をそれよりも比重の小さい第２の
液体中を上昇運動させ、かつ自由表面での中空液滴の崩
壊で下降運動をさせることができるので、第１の液体を
第２の液体に対して循環するように移動させることがで
きる。

【００３４】本発明は、その液体を移動させるのに空気
を吹き込むことによって行うことができ、ポンプのよう
な可動機械を使用しなくてもよいので、その移動装置の
構造が簡単であり、かつ容易である。

【００３５】また、中空液滴の形成により第１の液体の
接触面積が増加し、かつその中空液滴の移動速度は液滴
の場合より大きいので、両液体間の下記−液接触におけ
る接触効率及び処理能力が向上する。

【００３６】このため、本発明を用いて熱交換、物質交
換あるいは反応などを行わせる場合にはその操作が容易
であり、かつ効率的に行われる。具体的には、分離、抽
出、混合器などに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、一つの容器内に中空液滴の上昇部と液
滴の下降部を設けた構造の液体移動装置の模式図を示
す。

【図２】図２は、中空液滴の上昇部と液滴の下降部とを
互いに連絡した別々の容器に形成するようにした構造の
液体移動装置の模式図を示す。

【符号の説明】

１ 液体移動装置 ２ 円筒容器 ３ 底部 ４ 微小孔 ５ 気体供給管 ６ 第１の液体 ７ 第２の液体 ８ 中空液滴 ９ 自由表面 １０ 液滴 １１ 上昇部 １２ 下降部 １３ 供給管 １４ 排出管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 檜山 浩国 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株式会社荏原総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−18381（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−63877（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底部に中空液滴形成用の気体を噴出させ
   るための微小孔を有し、底部上に中空液滴を形成しうる
   第１の液体の層を有し、その層の上に第１の液体と混和
   せず、かつ比重が第１の液体よりも小さい第２の液体が
   満たされた容器に、第２の液体が満たされ、上方に自由
   表面をもつ、中空液滴を上昇させるための上昇部を連設
   し、かつ前記自由表面で中空液滴が脱気して液滴を形成
   する部位の下方に、第２の液体が満たされた、前記液滴
   を下降させるための下降部を設けたことを特徴とする中
   空液滴流による液体移動装置。