(57)【要約】【課題】  ２つの液体層間の浸透圧によるものではなく、全く新規な知見に基づき２つの液体層間に圧力差を生じさせる圧力差発生装置を提供する。【解決手段】  多孔質層が液体中に浸漬され、前記多孔質層の第１の面側の第１の液体層と前記多孔質層の第２の面側の第２の液体層との間に圧力差を生じさせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質層が液体中に浸漬され、前記多孔質層の第１の面側の第１の液体層と前記多孔質層の第２の面側の第２の液体層との間に圧力差を生じさせる、ことを特徴とする圧力差発生装置。
【請求項２】
前記多孔質層は平均細孔径が１．０μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記多孔質層は粒子状物質の集合体または結合体である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子は金属酸化物である、ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の液体層が前記第２の液体層の上側に位置し、前記多孔質層において前記第１の液体層側から前記第２の液体層側にかけて液圧が低下している、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記液体は水である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記第１の液体層の表面積より前記第２の液体層の表面積が大きい、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記圧力差を機械的なエネルギー、熱的なエネルギー、又は電気的なエネルギーに変換する装置が更に備えられる、ことを特徴とする圧力差発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力差発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
濃度の異なる２つの液体が液体透過膜を介して接すると、当該２つの液体層に間に浸透圧が生じることが知られている。この浸透圧により生じる２つの液体層間の圧力差を動力源とする動力発生装置が特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平４７−１５５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
濃度の異なる２つの液体層間の浸透圧を用いる動力発生装置によれば、２つの液体層間に常に濃度差が必要である。したがって、各液体層における濃度調整に手間がかかっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、２つの液体層間の浸透圧によるものではなく、全く新規な知見に基づき２つの液体層間に圧力差を生じさせるものであり、その構成は、多孔質層が液体中に浸漬され、前記多孔質層の第１の面側の第１の液体層と前記多孔質層の第２の面側の第２の液体層との間に圧力差を生じさせる、ことを特徴とする圧力差発生装置である。
【発明の効果】
【０００６】
このように構成された圧力差発生装置によれば、２つの液体層の濃度差に拘わらず２つの液体層間に圧力差を生じさせることができる。よって、取り扱いが容易な装置となる。
なお、圧力差の生じる理由については鋭意研究中であるが、当該圧力差が事実として生じていることは以下の実験から明らかである。
【実施の形態】
【０００７】
以下、この発明の作用確認実験について説明をする。
図１に実験装置を示す。水を入れた内径２０ｍｍのアクリル管６のほぼ中央にメンブレンフィルタ７（目開き；０．２μm、厚さ；１３３μm、材質；セルロース／エステル）をセットする。フィルタ７の上に易焼結アルミナ（平均粒子径：０．４８μm）を分散させてスラリーを調製した。スラリーの分散剤にはＨＣｌを用いた。このスラリーの初期濃度は２０vol％、粘度は１５．５ｍＰａ・ｓ、ｐＨは４．３５であった。また、スラリーの初期高さ（フィルタ７から液面までの高さは９０ｍｍであった。かかるスラリーにおいてアルミナ粒子は分散状態にあり、当該粒子が沈降したのちの充填率は０．５８であった。その結果、粒子間の間隔（細孔径）は０．２３２μｍであると計算される。
【０００８】
アクリル管６には圧力センサ１〜４が取り付けられている。圧力センサ１はフィルタ７より上側のスラリー層に投入され、当該スラリー層における任意位置の水圧を測定することができる。圧力センサ２はフィルタ下５０ｍｍの位置、圧力センサ３はフィルタ下１５０ｍｍの位置、圧力センサ４は管底位置の水圧を測定する。
圧力センサ１は最初フィルタ６の上５ｍｍに位置にセットし、５分毎にｙ方向へ１０ｍｍずつ引き上げてその位置での水圧を測定した。そして一旦水面から引き上げ、更に５分毎に１０ｍｍずつ沈めていった。
【０００９】
各圧力センサにおける液圧の測定結果を図２に示す。
図２（Ａ）の結果から、アクリル管６内においてフィルタ７の下側の液体層における圧力勾配は静水圧の変化に等しいことがわかる。例えば、圧力センサ２と圧力センサ３と間には１００ｍｍの高低差があり、この高低差に基づき１ｋＰａの静水圧差が測定されている。また、図２（Ｂ）の結果から、アクリル管６内においてフィルタ７の上側の液体層（スラリー層）における圧力勾配も静水圧の変化に等しいことが確認できた。
【００１０】
図３は、図１の実験装置における４５時間後の液圧分布を示す。図３の結果から、スラリー層においてフィルタ７の上部の薄い部分で圧力の急激な変化（負圧の発生）が起こっていることがわかる。
また、本発明者の検討により、フィルタ７のみでは当該圧力の急激な変化の生じないことが確認できている。
【００１１】
当該圧力変化の発生する条件を確認するため、スラリー層における細孔径と負圧発生との関係を検討した。検討結果を図４に示す。
図４の結果は次のようにして求めた。図１の実験装置おいて易焼結アルミナ（平均粒径：０．４８μｍ）を用い、初期濃度２０vol％、初期高さ９０ｍｍのスラリー層を準備した。そして、スラリーのｐＨを次のように調整し、もってその細孔径に変化を与えた。
実施例１  pH=4.21, 充填率=0.58, 細孔径=0.232μｍ
実施例２  pH=5.51, 充填率=0.35, 細孔径=0.594μｍ
比較例１  pH=7.55, 充填率=0.21, 細孔径=1.200μｍ
図４の結果より、水を液体としたとき、平均細孔径は１．０μｍ以下、更に好ましくは０．５以下とすることが好ましいことがわかる。
なお、液体の種類に応じて、好適な細孔径が適宜選択される。
【００１２】
上記の例では、アルミナ粒子の高充填スラリーを圧力差発生のための多孔質層として用いた。アルミナ粒子のケーク用いても、同様に圧力差を得ことができる。
図５はケークを用いたときの実験装置及び実験方法の概要を示し、図６は実験結果を示す。
アルミナＡＥＳ４５vol％,pH3.92,粘度1920mPa・Sのスラリーを調製し、これをボールミルで混合し、真空脱泡、定圧ろ過（初期高さ９０ｍｍ、圧力３９０kPa）ケークを作成した。得られたケークにつき蒸留水１５ｍｌにつき圧力３９０kPaで透過実験を行い、水がケークを透過することの確認を行った。このケークを実験装置にセットし（フィルタ不用）、ケークの下端から水面までの初期高さが９０ｍｍになるように、アクリル管内へ蒸留水を充填した。そして、アクリル管底部の圧力センサにより液圧の変化を測定した。測定結果を図６に示す。
図６の結果より、ケーク、即ち粒子の結合体によっても圧力差が発生することの確認ができた。
上記の例ではアルミナ粒子を用いたが、この外に、TiO2, ZrO2, その他の金属酸化物粒子を用いることができる。また、これらの金属酸化物の焼結体、又は金属粒子の焼結体を当該多孔質層として用いることもできる。即ち、この発明に用いられる多孔質層の材質は任意に選択することができる。
【００１３】
次に、実験装置１において、フィルタ７より下側のアクリル管の長さを変化させたときの液圧変化を調べた（図７）。
なお、フィルタより上に充填されるスラリーは次のように調製した。
粒子：易焼結アルミナ（平均粒径：０．４８μm）
分散剤：ＨＣｌ
初期濃度：２０vol％
初期高さ：９０ｍｍ
粘度：１５．５ｍＰａ・ｓ
ｐＨ：４．３５
図７において、実施例３、実施例４及び実施例５の下側管の長さはそれぞれ、５０ｍｍ、１００ｍｍ及び２００ｍｍである。
図７の結果から、フィルタ６より下側のアクリル管の長さ、即ち下側の液体層の長さ（表面積）をフィルタより上側の液体層の長さ（表面積）より大きくしたとき、大きな圧力差を得られることがわかる。
【実施例】
【００１４】
次に、この発明の原理を用いた揚水装置の実施例について説明する。
図８には、アクリル管６の下側液体層を貯水槽８に連通させた例を示す。貯水槽８の重量は電子天秤により秤量され、負圧により吸引された水の量が計測される。
なお、貯水槽８とアクリル管６との間の管はスラリー投入後１５時間後に解放され、その後、１時間ごとに貯水槽８からアクリル管６へ流れ込んだ水の量を測定した。
【００１５】
測定結果を図９及び図１０に示す。また、スラリーの調製条件も図９及び図１０に記入した。図９及び図１０において、初期高さはフィルタからアクリル管６の水面までの高さである。水頭差なしの例は貯水槽８の水面とアクリル管６の水面の高さを同じくした。また、水頭差有りの例では、貯水槽８の水面をフィルタの高さとした。
図９及び図１０の結果より、実施例の装置に揚水作用のあることが確認できる。特に図９の結果より、貯水槽を高くしたほうが揚水量を多くできることがわかる。その一方で、図１０の結果より、貯水槽を低くしたほうが水を吸い込むためのエネルギー量が大きくなることがわかる。なお、図１０のエネルギー量は次のようにして計算した。
吸い込んだ水の質量×水頭差×重力加速度
【００１６】
図１１には異なる水頭差２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍにおける揚水の挙動差を示した。水頭差が小さいほど、即ち貯水槽が高い位置にあるほど、揚水量が多くなることがわかる。
なお、図１１の実験においては、貯水槽とアクリル管との連結管を途中で２４時間停止し、その後再開させてみた。その結果、図１２に示すとおり、再開したときに揚水の速度が一旦向上することがわかる。したがって、揚水装置においては、揚水の動作を間欠的に行うことが好ましい。
【００１７】
図１１の実験完了後、アクリル管を持ち上げて貯水槽との水頭差を大きくしていったところ、アクリル管から貯水槽側へ水が逆流していった。水頭差を元に戻すと揚水機能が回復した。
【００１８】
以上説明したように、この発明の作用を用いて揚水が可能であることがわかる。このように持ち上げられた水を用いて、タービンを回転させ（機械的エネルギーの生成）、タービンに発電機を連結することにより電気的エネルギーを生成可能である。また、この電気的エネルギーを抵抗に通すことにより熱的エネルギーを生成することができる。更には、貯水槽に高温な液体を貯蔵しておくことにより、ヒートポンプとして作用させることもできる。
また、この実施例でわかるとおり、この発明による揚水は緩やかに行われるものである。したがって、当該揚水装置は、植物、水槽等に対する給水などに利用することができる。
【００１９】
以上の説明では、液体として水を用いているが、トルエン、アルコール等の極性溶媒やベンゼン等の非極性溶媒を液体として用いることもできる。
液体の容器の容器の材質も特に限定されるものではなく、実施例のアクリル管のほか、ポリプロピレン等の汎用樹脂、合成ゴム、エラストマー材料などの有機材料、並びにガラス、ステンレス鋼金属管等の無機材料を用いることができる。
当該容器の断面形状も任意に選択できる。また、当該容器として曲管を用いることもできる。当該容器を横置きにすることもできる。
【００２０】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１はこの発明の作用確認実験装置を示す。
【図２】図２は図１の実験装置の液圧分布を示す。
【図３】図３はフィルタ付近の液圧分布変化を示す。
【図４】図４はスラリーの細孔径を変化させたときの液圧を示す。
【図５】図５はケークを用いる作用確認実験装置を示す。
【図６】図６は図５の実験装置による液圧の時間変化を示す。
【図７】図７はフィルタ下の液圧高さと圧力差との関係を示す。
【図８】図８は貯水槽と揚水装置の水面の高さ関係を示す。
【図９】図９は貯水槽と揚水装置の水面との水頭差と揚水作用との関係を示す。
【図１０】図１０は貯水槽と揚水装置の水面との水頭差と揚水作用との関係を示す。
【図１１】図１１は貯水槽と揚水装置の水面との水頭差と揚水作用との関係を示す。
【図１２】図１２は揚水を一旦停止したときの揚水作用の変化を示す。
【符号の説明】
【００２２】
１、２、３、４  圧力センサ
６  アクリル管
７  フィルタ
【図１】
2005233094.tif 000003
【図２】
2005233094.tif 000004
【図３】
2005233094.tif 000005
【図４】
2005233094.tif 000006
【図５】
2005233094.tif 000007
【図６】
2005233094.tif 000008
【図７】
2005233094.tif 000009
【図８】
2005233094.tif 000010
【図９】
2005233094.tif 000011
【図１０】
2005233094.tif 000012
【図１１】
2005233094.tif 000013
【図１２】
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