JP7057950B2 - 充填材、その製造方法及び液膜形成構造 - Google Patents
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Description
更に、本開示の一態様によれば、液膜形成構造は、供給される所定後退接触角を有する液体によって、液流れ方向に伸長する平面状の液膜形成面を基準とした所定高さにおける液面を伴う液膜を、当該液膜形成面に形成する液膜形成構造であって、前記液膜形成面を有する本体部と、前記液流れ方向に沿って、前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部とを有し、前記壁部の側面は、前記所定高さにおいて前記液膜形成面に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有し、前記所定角度は、前記所定後退接触角の0.8~2.0倍であることを要旨とする。
Rc = δc/(1-cosθR) (1)
Rc = δc/(cosθR-cosα) (2)
We = (ρ×U2×δ)/σ
= (ρ×Γ2)/(σ×δc) (3)
Wec = (ρ×Uc2×δc)/σ
= (ρ×Γ2)/(σ×δc) (4)
dRc/dθR = (-δc×sinθR)/(1-cosθR)2 (8)
dRc/dθR = (δc×sinθR)/(cosθR-cosα)2 (9)
実験測定によって傾斜面の傾斜角度θ又は曲率半径Rsの最適値を決定するには、充填材要素の素材を用いて、異なる傾斜角度θ又は曲率半径Rsで傾斜面を設けた充填材要素の候補を作製し、各充填材要素を用いて、前述したような液膜の表面形状又は臨界ウェーバー数Wecの測定を繰り返し行う。
長さが60mmのステンレス鋼(SUS304)製の平板材を用意し、断面が長方形の流路(横幅<50mm、深さ<5mm)を平板材の長さ方向に沿って形成した。この作業は、放電加工による削り出し、及び、φ20mmのエンドミルを用いた仕上げによって行った。更に、エンドミルを用いて、流路の底面及び側面に加工を加えて、横幅が50mm、深さが5mmで、流路底面の両側に、20°(試料S1)又は25°(試料S2)の傾斜角度θ(底面に対する外角)で傾斜した平面を有する形状に仕上げて、試料S1,S2の充填材要素として以下の測定において使用した。
長さが60mmのステンレス鋼(SUS304)製の平板材を用意し、断面が長方形の流路(横幅<50mm、深さ<5mm)を平板材の長さ方向に沿って形成した。この作業は、放電加工による削り出し、及び、φ20mmのエンドミルを用いた仕上げによって行った。更に、先端の曲率が適切なラジアスエンドミルを選択して用いて、流路の底面及び側面に加工を加え、横幅が50mm、深さが5mmで、流路底面の両側に四分円柱面状に湾曲した凹型の曲面(曲率半径Rs=6.0mm(参考試料C1)又は6.5mm(参考試料C2))を有する形状に仕上げて、参考試料C1,C2の充填材要素として以下の測定において使用した。
(液膜の表面形状の測定)
上述で作製した、傾斜角度θが20°である傾斜平面を有する流路を形成した試料S1の充填材要素を用いて、液膜の表面形状の測定を以下のように行った。
上述の液膜表面の形状測定と同様に充填材要素を設置して、流路に水(20±0.5℃)を供給する際に、流量を徐々に増加させた。これによって、流路底面上に形成される液膜が拡がり、ドライアウト領域が消滅して流路底面全体に液膜が形成された時の水の流量を決定した。これを用いて、式(4)から臨界ウェーバー数Wecを計算したところ、試料S1の充填材要素における値は0.58であり、参考試料C1の充填材要素における値は0.51であった。
流路に供給する液体を、エタノール濃度(質量値)が20%の水溶液(20℃、ウェーバー数We=0.8)に代えたこと以外は上述と同様の操作を繰り返して、液膜の表面形状を測定した。その結果、流路の側端からの距離xと液膜の高さhとの関係を示すグラフは、図15(b)に示すような表面形状を描いた。又、臨界ウェーバー数Wecの値は、0.29であった。
使用する充填材要素を試料S1から試料S2(傾斜角度θ=25°)に代え、流路に供給する液体を、グリセリン濃度(質量値)が60%の水溶液(20℃、ウェーバー数We=0.8)に代えたこと以外は上述と同様の操作を繰り返して、液膜の表面形状を測定した。その結果、流路の側端からの距離xと液膜の高さhとの関係を示すグラフは、図15(c)のような表面形状を描いた。また、臨界ウェーバー数Wecの値は、0.06であった。
臨界ウェーバー数Wecについて、上述の測定に基づいて得られた値を、理論値、及び、側面が液膜形成面に垂直な平面である場合の値と共に示すと、表1のようになる。表1によれば、傾斜平面の傾斜角度θが後退接触角θRに相当する状態において、臨界ウェーバー数Wecは理論値に非常に近い値を示し、側面が垂直である場合に比べて極めて小さい(約11~25%程度)ことが理解される。そして、液膜破断の抑制に非常に有効な凹型の曲面を形成した充填材要素と比較しても殆ど差はなく、寧ろ、60%グリセリン水溶液を用いた場合は、より有効であると言える。試料S1,S2の充填材要素における傾斜平面の傾斜角度θは、壁部の側面に対する液体の後退接触角θRの測定値が約20°(水及び20%エタノール水溶液)、及び、約25°(60%グリセリン水溶液)であったことに基づいて設定されており、表1の結果は、この設定に妥当性があることを裏付けるものである。このように側面の形状によって臨界ウェーバー数Wecの値は大きく変化する。
Claims (11)
- 所定後退接触角を備え、且つ、液流れ方向に伸長する平面状の液膜形成面を基準とした所定高さにおける液面を伴う液膜を当該液膜形成面に形成する液体に、気体を接触させるための充填材であって、立位に設置される少なくとも1つの薄層状の充填材要素を有し、前記薄層状の充填材要素は、
前記液膜形成面を有する本体部と、
前記液流れ方向に沿って、前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部と
を有し、前記壁部の側面は、前記所定高さにおいて前記液膜形成面に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有し、
前記所定角度は、前記所定後退接触角の0.8~2.0倍である、充填材。 - 前記傾斜面は、前記液流れ方向に延在し、前記液流れ方向に垂直かつ前記液膜形成面に平行な幅方向において当該液膜形成面に近付くほど、当該液膜形成面を基準とした高さが減少する、凸型の曲面又は平面であり、
前記凸型の曲面は、前記壁部から前記液膜形成面の前記幅方向における中央部に向けて突出し、
前記傾斜面は、前記液膜形成面と交差する、請求項1に記載の充填材。 - 前記所定角度は、前記液膜における臨界ウェーバー数が、理論値の1~10倍の値となるように構成される、請求項1又は2に記載の充填材。
- 前記傾斜面は前記凸型の曲面であり、当該凸型の曲面は、円柱面、長円柱面及び楕円柱面の何れかの部分面を含む、請求項2に記載の充填材。
- 前記凸型の曲面は、部分円柱面を含み、前記円柱面の曲率半径は、前記液膜における臨界ウェーバー数が、理論値の1~10倍の値となるように構成される、請求項4に記載の充填材。
- 前記壁部は、前記液膜形成面を基準として、前記所定高さを超える高さを有する請求項1~5の何れか一項に記載の充填材。
- 前記充填材要素は、1対の前記壁部を有し、前記1対の壁部は、前記液膜形成面の両側端に伸長する請求項1~6の何れか一項に記載の充填材。
- 前記所定角度は、前記所定後退接触角と等しい、請求項1~7の何れか一項に記載の充填材。
- 前記円柱面の前記曲率半径は、0.3~50mmである、請求項5に記載の充填材。
- 立位に設置して使用される少なくとも1つの薄層状の充填材要素を有し、所定後退接触角を備え、且つ液流れ方向に伸長する平面状の液膜形成面を基準とした所定高さにおける液面を伴う液膜を当該液膜形成面に形成する液体に、気体を接触させるための充填材の製造方法であって、
前記液膜形成面を有する本体部と、直線に沿って前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部とを有する薄層状の充填材要素を設計する設計工程であって、前記壁部の側面が、前記所定高さにおいて前記液膜形成面に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有するように設計する前記設計工程と、
原料素材を用いて、設計された前記薄層状の充填材要素を作製する作製工程と
を有し、
前記所定角度は、前記所定後退接触角の0.8~2.0倍である、充填材の製造方法。 - 供給される所定後退接触角を有する液体によって、液流れ方向に伸長する平面状の液膜形成面を基準とした所定高さにおける液面を伴う液膜を、当該液膜形成面に形成する液膜形成構造であって、
前記液膜形成面を有する本体部と、
前記液流れ方向に沿って、前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部と
を有し、前記壁部の側面は、前記所定高さにおいて前記液膜形成面に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有し、
前記所定角度は、前記所定後退接触角の0.8~2.0倍である、液膜形成構造。
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