【手続補正書】
【提出日】平成16年3月30日(2004.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】液体分離方法及びこれを用いた濾過装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】混濁液体から透過膜により介在物を分離する液体分離方法において、
上記液体が供給される少なくとも一部が透過膜で構成された液体収納部と、
上記透過膜と相対的に接触、離間動作を断続的又は連続的に行う透過膜接離部材と、
この透過膜接離部材又は上記透過膜の相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を与える駆動機構とを備える濾過装置が用いられ、
上記透過膜と上記透過膜接離部材とを接触状態とし、上記液体に上記透過膜接離部材との表面張力による上記透過膜からの透過を促進させる第１の液体分離工程と、
上記透過膜と上記透過膜接離部材とを離間状態とし、上記液体と上記透過膜及び上記透過膜接離部材との間の毛細管現象や液体の粘性抵抗により生じる液体の滞留を解消する第２の液体分離工程とからなり、
上記駆動機構により上記第１及び第２の液体分離工程を断続的又は連続的に反復することにより液体の分離促進を図ることを特徴とする液体分離方法。
【請求項２】混濁液体から透過膜により介在物を分離する濾過装置において、
上記液体が供給される少なくとも一部が透過膜で構成された液体収納部と、
上記透過膜と相対的に接触、離間動作を断続的又は連続的に行う透過膜接離部材と、
上記透過膜接離部材又は上記透過膜の相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を与える駆動機構とを備え、
上記透過膜と上記透過膜接離部材とが接触状態において、上記液体に上記透過膜接離部材との表面張力による上記透過膜からの透過を促進させるとともに、上記透過膜と上記透過膜接離部材とが離間状態において、上記液体と上記透過膜及び上記透過膜接離部材との間の毛細管現象や液体の粘性抵抗により生じる液体の滞留を解消して液体の分離促進を図ることを特徴とする濾過装置。
【請求項３】上記駆動機構は、上記透過膜を有する液体収納部又は上記透過膜接離部材を相対的に上下方向に往復移動させる上下運動機構により構成してなることを特徴とする請求項２に記載の濾過装置。
【請求項４】上記駆動機構は、上記透過膜を有する液体収納部又は上記透過膜接離部材を相対的に偏芯回転させる偏心回転運動機構により構成してなることを特徴とする請求項２に記載の濾過装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混濁液体から透過膜により介在物を分離する液体分離方法に関し、特にこれを用いて、化学実験や分析などの理化学分野において実験や分析の課程、さらには一般産業分野において必要となる液体の分離作業や濾過作業の濾過作業効率を促進させるための濾過装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より混濁液体から透過膜により介在物を分離する液体分離方法として、化学実験や分析における濾過装置５０が用いられている。この濾過装置５０は、図８に示すような、ロート台５１に置かれたロート５２と濾紙５３とから構成されている。ロート５２は、一般に材質としてガラス等が用いられており、円錐の頂点に管が設けられた構造をとり、液体を円錐内部に流し込むことによって細い口等に液体を導くことができるようになる。濾材としての濾紙５３は、水をはじめ各種の溶媒に強く、多孔質の繊維からつくられており、ロート５２に接触するように４つ折りに折り込まれた逆三角錐状に形成しロート５２に載置して用いられる。
【０００３】
濾過作業は、ロート５２に上述したように濾紙５３を載置して、濾紙５３の中に試料５４として介在物で混濁した液体を流し入れて行われる。濾過作業は、濾紙５３の孔を通過することのできない例えば固体を濾紙５３中に残存させて、濾紙５３内の液体５５は、濾紙５３を透過し、ロートの管５６を伝わり、ロート５２の下部に設けられたビーカ５７に集められる。よって、濾過作業は、試料５４を例えば介在物である固体と液体５５とに分離することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、濾過装置５０においては、ロート内面５２ａと濾紙５３との間に濾紙５３を透過した液体５５が停滞するという問題がある。これは、図９に示すように、ロート内面５２ａと濾紙５３とを密着させていると、次のような疎外要因によって液体５５をロート内面５２ａと濾紙５３との間に液体を停滞させてしまうからである。
【０００５】
すなわち、疎外要因の主なものとしては、液体５５と濾紙５３との間、ロート内面５２ａと液体５５との間に働くそれぞれの分子間引力によるロート内面５２ａと濾紙５３間の毛細管現象と、液体の粘性抵抗とであり、これらにより液体の停滞が起こり濾過速度の低下を引き起こす。そのため、濾過装置５０は、濾過時間の増大をまねき、試料５４の変質や作業効率の低下につながる。
【０００６】
また、濾過装置５０は、濾紙５３に試料５４を流し入れた直後では上述した疎外要因よりも濾紙５３内の液体５５の自重の方が遙かに大きいので、透過した液体５５は押し出されてロートの管５６から滴下されるが、濾過作業の進行に伴い濾紙５３内の液体５５の量が減少するに従って液体５５の透過速度が遅くなってしまう。濾過装置５０は、上述した毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体５５の停滞と濾紙５３内の液体５５の自重の変化とが相乗して濾過の完了までの時間を増大させ、作業全体の効率を低下させている。
【０００７】
しかしながら、従来より、この作業効率の低下に対し、改善のための効果的な対策が何ら図られておらず、いたずらに時間を消費しているのが現状であった。
【０００８】
そこで、本発明では、透過膜となる濾紙に対し、透過膜接離部材としてのロート内面とを積極的に接触と離間を反復させることで、接触時では濾紙からの液体の透過を促し、離間時では液体の停滞を解消して濾過速度の促進を図る液体分離方法を提供し、且つこの方法を用いた濾過装置を提供することを目的に提案されたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液体分離方法は、上述の問題点を解消し、その課題を達成するため、混濁液体から透過膜により介在物を分離し、液体が供給される少なくとも一部が透過膜で構成された液体収納部と、透過膜と相対的に接触、離間動作を断続的又は連続的に行う透過膜接離部材と、この透過膜接離部材又は透過膜の相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を与える駆動機構とを備える濾過装置が用いられ、透過膜と透過膜接離部材とを接触状態とし、液体に透過膜接離部材との表面張力による透過膜からの透過を促進させる第１の液体分離工程と、透過膜と透過膜接離部材とを離間状態とし、液体と透過膜及び透過膜接離部材との間の毛細管現象や液体の粘性抵抗により生じる液体の滞留を解消する第２の液体分離工程とからなり、駆動機構により第１及び第２の液体分離工程を断続的又は連続的に反復することにより液体の分離促進を図ることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る上記液体分離方法を用いた具体的濾過装置は、混濁液体から透過膜により介在物を分離し、液体が供給される少なくとも一部が透過膜で構成された液体収納部と、透過膜と相対的に接触、離間動作を断続的又は連続的に行う透過膜接離部材と、透過膜接離部材又は透過膜の相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を与える駆動機構とを備え、透過膜と透過膜接離部材との接触状態において、液体に透過膜接離部材との表面張力による透過膜からの透過を促進させるとともに、透過膜と透過膜接離部材との離間状態において液体と透過膜及び透過膜接離部材との間の毛細管現象や液体の粘性抵抗により生じる液体の滞留を解消して液体の分離促進を図ることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、駆動機構は、透過膜を有する液体収納部又は透過膜接離部材を相対的に上下方向に往復移動させる上下運動機構により構成してなることを特徴とするものである。
【００１２】
なお、駆動機構は、透過膜を有する液体収納部又は透過膜接離部材を相対的に偏芯回転させる偏心回転運動機構により構成してなることを特徴とするものでも良い。
【００１３】
以上のように構成された本発明にかかる濾過装置においては、透過膜と透過膜接離部材との間の接触と離間を反復させることで、透過膜と透過膜接離部材との間に生じる毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体の停滞や液体の自重減少による透過速度の低下を解消して、作業効率の改善を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
まず、本発明に係る液体分離方法の原理について、図１を用いて説明する。
【００１６】
本発明に係る液体分離方法は、基本的には試料となる液体原液自体の重さなどによる圧力差で混濁した液体を透過膜により分離する自然透過法を用いたものであり、さらにその透過促進を図ろうとするものである。
【００１７】
本発明に係る液体分離方法は、液体ａが供給される少なくとも一部が透過膜ｂで構成された液体収納部ｃと、透過膜ｂと相対的に接触、離間動作を断続的又は連続的に行う透過膜接離部材ｄと、この透過膜接離部材ｄ又は透過膜ｂの相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を与える駆動機構（図示せず）とを備えてなる。
【００１８】
液体収納部ｃは、少なくとも液体収納部ｃの一部に透過膜ｂを有すれば良く、また、液体収納部ｃ全体を透過膜ｂにより構成しても良い。
【００１９】
また、透過膜ｂと接離する透過膜接離部材ｄは、液体収納部ｃ内の液体ａを表面張力により透過膜ｂによる透過を促進するためのものである。この透過膜接離部材ｄとしてはガラス材を用いている。
【００２０】
駆動機構は、透過膜接離部材ｄ又は透過膜ｂの相対的な接触、離間動作を断続的又は連続的に行うための駆動力を発生させる機構である。従って、透過膜接離部材ｄを駆動することにより、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄの接触、離間動作を断続的又は連続的に行うようにしてもよく、逆に透過膜ｂを有する液体収納部ｃ側を駆動することにより透過膜ｂと透過膜接離部材ｄの接触、離間動作を断続的又は連続的に行うようにしてもよい。
【００２１】
通常、混濁した液体ａの透過膜ｂによる透過は、上述した通り、自然透過法においては、液体原液自体の重さなどによる圧力に依存するため、このままでは透過速度が遅い。
【００２２】
そこで本発明は、まず、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄとを接触状態とし、図１（Ａ）に示すように、液体ａに透過膜接離部材ｄとの表面張力による透過膜ｂからの透過を促進させる第１の液体分離工程となす。
【００２３】
この第１の分離工程においては、透過膜接離部材ｄが透過膜ｂに接触することで透過膜接離部材ｄとの表面張力により、図１（Ａ）中矢印に示す方向に分子間引力が働き、液体収納部ｃ内の液体ａの透過膜ｂの透過を促進することができる。
【００２４】
しかしながら、透過膜ｂから液体ａが透過された後は、図１（Ｂ）に示すように、今度は逆に透過膜ｂと透過膜接離部材ｄとの間で生じる毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体ａ１を拘束する力により、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄの間において液体ａ１の滞留が生じる。
【００２５】
そこで次に、図１（Ｃ）に示すように、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄとを離間状態とし、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄとの間の毛細管現象により生じる液体ａの滞留を解消する第２の液体分離工程となす。
【００２６】
この第２の分離工程においては、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄが離間されることにより、透過膜ｂと透過膜接離部材ｄとの間で毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体ａ１を拘束する力がなくなり、滞留していた液体ａ１がスムーズに滴下され、滞留が解消される。
【００２７】
そして、駆動機構により第１及び第２の液体分離工程を断続的又は連続的に反復することにより液体の分離促進を図ることができるようになすものである。
【００２８】
次に、上述の原理よりなる本発明に係る液体分離方法を用いて実施される濾過装置について説明する。
【００２９】
この濾過装置は、図２及び図３に示すように、作業テーブルなどに水平におかれたベース板１上に垂直に固定された支柱２に対して、この支柱２の長手方向すなわち上下方向にスライド可能に可動台３が嵌合して取り付けられている。
【００３０】
また、ベース板１には駆動モータ４が固定され、その出力軸５にはクランク６の一端が固定されている。一方クランク６の他端には、シャフト７ａで回転自在にロッド８の一端が取り付けてあり、このロッド８の他端はシャフト７ｂで可動台３に回転自在に取り付けられている。
【００３１】
したがって、クランク６のシャフト７ａの回転運動がロッド８を介して可動台３を支柱２の長手方向に沿って上下運動に変換される。
【００３２】
よって、駆動モータ４の出力軸５の回転に応じて可動台３を支柱２の上下方向に駆動する可動台３の駆動機構が構成される。
【００３３】
また、支柱２には透過膜接離部材となるロート９を固定するためのロート台１０が、可動台３の下方において、この支柱２に沿ってスライド可能に取り付けられている。そして、ロート台１０に予め設けられた固定ネジ１１を締め付けることにより、支柱２の任意の高さ位置に固定できるようになされている。
【００３４】
通常このロート台１０の固定位置は可動台３の上下動において最下点にあるとき透過膜を有する液体収納部である濾紙１２の外側表面とロート９の内面が接触するように調整される。
【００３５】
可動台３には濾紙１２を載置する濾紙取付部材１３が取り付けられている。この濾紙取付部材１３はロート９の内面と全体的に極力密着させるようにするため、薄いリング状の部材でロート９の内面とほぼ同一形状に形成されており、ロート９に濾紙１２を載置するのと同様な方法で濾紙１２をセットできるようになされている。
【００３６】
以上のように構成された本発明に係る濾過装置は、駆動モータ４からの動力をクランク６及びロッド８を介して可動台３を支柱２に対して上下動させる可動台駆動機構を備え、可動台３はクランク６の回転中心となる駆動モータ４の出力軸５とロッド８を接続するシャフト７ａとの距離ｓに応じた振幅と駆動モータ４の出力軸５の回転速度に応じた速度で支柱２上において長手方向に上下運動を繰り返し行うことができる。なお、この実施例においては、ロート９の内面と濾紙１２が確実に離間する距離として、可動台３の振幅として１０ｍｍ程度に設定されている。
【００３７】
したがって、可動台３の濾紙取付部材１３に載置された濾紙１２は、ロート台１０の上に置かれたロート９に対して相対的に上下動を行い、最下点においてロート９の内面に密着し、最上点でロート９から最も離間することとなる。
【００３８】
次に、このように構成された濾過装置を用いた濾過方法について説明する。
【００３９】
濾過装置において、載置された濾紙１２内に濾過の対象となる液体１４を注入して、図４に示すように、ロート９の内面に接触させると、まず、液体１４の重量とロート９の内面と液体１４との間に作用する表面張力によって、液体１４が濾紙１２を透過し、濾紙１２とロート９の内面との間に液体１４の膜１５が形成され、第１の濾過工程が生ずる。
【００４０】
この状態で液体１４の膜１５に作用する力は、液体１４の自重による下向きの力と毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体１４の膜１５を拘束し滞留する逆向きの力である。上述したように密着した状態でも液体１４の自重による力がわずかに大きいため濾過された液体１４は押し出されてロート９の下部から滴下するが、濾紙１２とロート９の内面との間において生じる毛細管現象や液体の粘性抵抗により液体１４の膜１５を拘束する力が働くために滞留を生じ滴下する速度が遅くなる。
【００４１】
そこで、駆動モータ４を回転して可動台３を上昇させて濾紙１２をロート９から離間させると、図５に示すように、濾紙１２とロート９の内面との隙間が増大し、毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体１４の膜１５の滴下を拘束する力がなくなり、液体１４の膜１５は滞留することなく滴下し、すなわち、第２の濾過工程を実行する。
【００４２】
さらに、駆動モータ４を回転し、図４に示すように、再び濾紙１２をロート９の内面に接触させると、上述したようにその間に再び液体１４の膜１５を形成する第１の濾過工程に戻ることとなる。
【００４３】
また、さらに駆動モータ４を回転させると再び第２の濾過工程を実行することができる。
【００４４】
そして駆動モータ４を連続して回転させることにより、第１の濾過工程と第２の濾過工程が反復連続して繰り返し行われることとなり、濾過作業が極めて効率よく行われる。
【００４５】
すなわち、このように濾紙１２とロート９とが相対的に接触と離間を繰り返すことで、接触時は表面張力による液体の濾紙１２からの透過を促し、離間時には毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体の滞留を解消して、結果的に濾過作業の促進を図ることができる。
【００４６】
なお、本発明に係る濾過装置において、可動台３の上下運動機構としてクランクスライダ機構を用いたが、カム機構やラックピニオン機構など他の方向変換機構を用いても良いことは言うまでもない。
【００４７】
この上下運動機構は、濾紙１２をロート９に対し相対的な位置変位による接触・離間ができれば良く、濾紙１２を固定しロート９側を上下動する様にしても良い。
【００４８】
また、濾紙取付部材１３は直接濾紙１２を挟んで固定するものでも良く、ロート台１０はベース板１に直接取り付けるものであっても良い。
【００４９】
さらに、駆動モータ４には作業速度に応じた適切な減速比を持つ減速機を取り付け、適当な制御装置を用いて回転速度を任意に設定できるようにしても良いことは当然である。
【００５０】
以上の構成を有する本発明に係る濾過装置を用い、従来の濾過装置との比較実験を行った。すなわち、本実施例装置に係る濾過装置において、駆動機構を駆動し、濾紙１２とロート９との相対的な接触と離間を繰り返した場合と、上述した従来の濾過方法とについて、一定量の濾過所要時間を測定した。
【００５１】
実験１
ベントナイト１００ｍｇ／ｌの懸濁液を１０ｍｌ濾過した場合の所要時間を測定した。
本実施例装置                  ２分３０秒
従来の濾過方法                ５分４０秒
【００５２】
実験２
ベントナイト１０００ｍｇ／ｌの懸濁液を５ｍｌ濾過した場合の所要時間を測定した。
本実施例装置                  １３分
従来の濾過方法                ２８分
なお、実験１及び実験２のいずれにおいても、ベントナイトは＃２００以下とした。
【００５３】
以上の実験結果からも明らかな通り、本実施例装置に係る濾過装置においては、従来の濾過方法の約半分以下の時間で濾過を行うことができ、濾過促進が図られた。
【００５４】
次に、本発明に係る第２の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。
【００５５】
この第２の実施の形態に係る濾過装置は、図６に示すように、ベース板２１に対し垂直に固定された支柱２２に出力軸２５が上方向を向くように駆動モータ２４が取り付けられてなる。そしてこの駆動モータ２４の出力軸２５にはクランク２６が固定されている。
【００５６】
支柱２２の上部には回転、スライド自在に可動板２３が取り付けられている。すなわち、可動板２３の略中心部に設けられたスライド孔２３ａにおいて支柱２２の上端に設けられた支持軸２８により軸支することにより回転及びスライド自在に可動板２３が支柱２２に取り付けられてなる。
【００５７】
この可動板２３の一端には回転自在にクランク２６の一端が取り付けられている。一方、可動板２３の他端には濾紙取付部材３３が設けられている。
【００５８】
そして、駆動モータ２４の動力がクランク２６を介して可動板２３に伝達され、支柱２２上部に設けられた支持軸２８を中心として揺動回転すると同時にスライド孔２３ａ内において水平方向にスライドし、可動板２３の他端側に取り付けられた濾紙取付部材３３を偏芯回転運動させる偏芯回転運動機構を構成している。
【００５９】
そして、この偏芯回転運動のほぼ中央に透過膜接離部材としてのロート２９を配置し、透過膜となる濾紙３２の円錐部の一部がロート２９の内面と接触する様に偏芯量を適宜設定する。すると常に濾紙３２の一部がロート２９の内面と接触しながら、その接触位置を偏芯回転運動に沿って相対的に変化させながら動くこととなる。従って、濾紙３２とロート２９はその円周上での接触位置を変えながら部分的に接触、離間を反復連続的に繰り返す。すなわち、駆動モータ２４の出力軸２５の回転によりクランク２６上に設けられ、可動板２３を接続するシャフト２７の一回転で濾紙３２とロート２９の接触位置は一周することとなり、濾紙３２の全周において接触、離間が行われる。
【００６０】
このように構成された第２の実施の形態に係る濾過装置を用いた濾過方法は、第１の実施の形態に係る濾過装置による濾過方法と同様に濾紙３２とロート２９の相対的な接触、離間を反復連続的に繰り返すことにより、接触時には表面張力による液体の濾紙３２からの透過を促す第１の濾過工程となり、離間時には毛細管現象や液体の粘性抵抗による液体の滞留を解消する第２の濾過工程となり、結果的に濾過作業の促進を図ることができる。
【００６１】
なお、この第２の実施の形態に係る濾過装置においても、可動板２３の偏芯回転運動を得るための機構としてクランクを用いたが、カム機構等他の運動変換機構によっても構成できることは言うまでもない。また、この偏芯回転機構は濾紙３２とロート２９に相対的な位置変位による接触、離間ができるものであれば良く、濾紙３２を固定しロート２９側に偏芯回転運動を与えても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明に係る液体分離方法及びこれを用いた濾過装置によれば、透過膜となる濾紙に対し、透過膜接離部材としてのロート内面を積極的に接触と離間を反復させることで、接触時では濾紙からの液体の透過を促し、離間時では液体の停滞を解消して濾過速度の促進を図ることができる。
【００６３】
すなわち、透過膜と透過膜接離部材に相対的な接触と離間の反復を与えること、例えば、濾紙取付部材を備える可動台を上下方向や偏芯方向に運動させることで、接触時には液体収納部内の液体に透過膜接離部材との表面張力で透過膜からの透過を促し、離間時には液体と透過膜及び透過膜接離部材との間に発生する毛細管現象や液体の粘性抵抗によって生じる液体の滞留を解消することが可能となり、透過膜と透過膜接離部材との間に生じる濾過疎外要因を解消して、濾過速度や作業効率の促進を図ることができる。
【００６４】
また、本発明によれば、無理な加圧や化学物質を用いることなく、透過速度を促進し作業効率の向上を図ることができ、環境にやさしく高品質な液体分離方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液体分離方法の原理を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態として示す濾過装置の一部切り欠き正面図である。
【図３】同濾過装置の駆動機構を説明する側面図である。
【図４】同濾過装置において、濾紙とロートの接触時における濾紙とロートとの間を拡大して示した図である。
【図５】同濾過装置において、濾紙とロートの離間時における濾紙とロートとの間を拡大して示した図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態として示す濾過装置の一部切り欠き正面図である。
【図７】同濾過装置の駆動機構を説明する平面図である。
【図８】従来の濾過装置を示す一部切り欠き正面図である。
【図９】従来の濾過装置において濾過する液体と濾紙及びロートとの関係を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１  ベース板、２  支柱、３  可動台、４  駆動モータ、５  出力軸、６  クランク、７  シャフト、８  ロッド、９  ロート、１０  ロート台、１２  濾紙、１３  濾紙取付部材、１４  液体、１５  膜