JPH1157308A - 微小重力下の水溶液系または水系に発生する気泡除去システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小重力下の条件において水溶液または水か
らの気泡除去及び気泡発生の抑制を確実に行うことがで
きる気泡除去システムを提供する。 【解決手段】 気泡除去システムは、液体（水溶液また
は水）中の気泡を検出して排除する気泡検出排除システ
ムと、加圧して気泡を溶解させた液体から脱気を行う気
泡加圧溶解脱気システムの２つのシステムを有する。気
泡検出排除システムは、液体中の気泡を検出する気泡検
出器Ｄ１と、気泡が検出された際に液体の流路を切り替
えて系外に気泡を排出する流路切り替え弁Ｖ１，Ｖ２，
Ｖ３と、これらを制御する制御装置とを有する。また、
気泡加圧溶解脱気システムは、液体を加圧して送出する
高圧ポンプＰＨと、加圧下で液体に気泡を溶解させる気
泡溶解槽Ｂと、液体の減圧調整を行うキャピラリーチュ
ーブＲＰ及び減圧調整弁Ｖ５と、気泡が溶解した液体か
ら脱気膜を用いて脱気を行うオンライン脱気装置ＤＧと
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気泡除去システム
に関し、より詳細には、宇宙の微小重力下で水溶液また
は水に気泡が混入することを嫌う実験に適用でき、実験
の前処理として気泡除去／脱気処理を行う気泡除去シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気泳動システムには、ゴアテッ
クス（商品名）等の多孔質膜を使用した気泡除去システ
ムが設置されていたが、これは水溶液（緩衝液）交換時
のＱＤから混入する気泡を除去するために利用されてい
た。この気泡除去装置は、注射器等を利用して手動によ
り気泡を除去するものであり、気泡が混入しているかど
うかを検出できない上に良好に気泡が除去できたかどう
かも確認できないものであった。また、電気泳動槽にお
いては、分析時に緩衝液に数百ボルトの電圧をかけるた
め、ジュール熱が発生して緩衝液の温度が上昇し、この
ときに、十分脱気した緩衝液を用いないと分析中に溶存
ガスが気化して気泡が生じ、実験を阻害する原因となっ
た。上記の気泡除去装置では、緩衝液中から溶存ガスを
脱気することは不可能であった。

【０００３】微小重力下においては、重力を利用した気
液分離が十分できないため、遠心力や静電気力，電磁気
力を利用して気泡を分離する技術が開発されている。ま
た、気泡の持つ表面張力を利用してメッシュを使って気
液を分離する方法もある。しかしながら、いずれの方法
も水溶液中の溶存ガスを脱気することはできない。

【０００４】水溶液中の溶存ガスを脱気する方法として
は、地上ではアルゴン等の不活性ガスや溶解度の低いガ
スでバブリングする方法や、加温時に超音波等の物理的
エネルギーを加えて脱気する方法が用いられるが、この
ような方法は微小重力下では気液分離ができないために
適用することができない。また、従来、液体クロマトグ
ラフィーで使用されていたオンライン脱気装置として、
筒状のテフロン（商品名）やシリコンの膜の内部に水溶
液を通し、膜の外部を減圧して溶存ガスを脱気するもの
がある。この方法は、気液分離が必要ないことから微小
重力条件に適用性があると考えられる。しかしながら、
このようなオンライン脱気装置は、膜の内部に大型の気
泡が通ると水溶液が膜内を通過する時間では気泡を十分
に取り除くことができなくなることが予想される。この
ため水溶液を膜に導入する前に水溶液中に気泡を十分溶
解させておく必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のごと
き実情に鑑みてなされたもので、（１）水溶液または水
に対して混入した気泡を検出して自動的に排出するシス
テム，（２）気泡を水溶液または水に溶解させ、溶存ガ
ス成分を除去して運用温度及び圧力における飽和溶存ガ
ス濃度以下にガス量をコントロールし、水溶液または水
の温度上昇、あるいは減圧等の圧力変化が発生したとき
の気泡の発生を押さえるシステム，の（１），（２）を
組み合わせたシステム、または（２）を単独で用いたシ
ステムにより、微小重力下の条件において水溶液または
水からの気泡除去及び気泡発生の抑制を確実に行うこと
ができる気泡除去システムを提供することを目的として
なされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、緩衝
液・溶離液等の水溶液または水に混入している気泡を検
出して該気泡を排除する気泡検出排除システムと、該気
泡検出排除システムの作用を受けた前記水溶液または水
を加圧し、該気泡検出排除システムを経てなお残留した
気泡を該水溶液または水に溶解させ、得た残留した気泡
を溶解させた前記水溶液または水から脱気を行う気泡加
圧溶解脱気システムとを有する微小重力下の水溶液系ま
たは水系に発生する気泡除去システムであって、前記気
泡検出排除システムは、前記水溶液または水に混入して
いる気泡を検出する気泡検出器と、該気泡検出器により
気泡が検出された際に、前記水溶液または水の流路を切
り替えて、検出された該気泡を排除する流路切り替え弁
と、該流路切り替え弁を制御する制御装置とを有し、前
記気泡加圧溶解脱気システムは、前記水溶液または水を
加圧して送出する高圧ポンプと、加圧下で該水溶液また
は水に前記残留した気泡を溶解させる気泡溶解槽と、該
気泡溶解槽から送出された前記水溶液または水を減圧す
る減圧手段と、該減圧手段を通過した前記水溶液または
水から脱気膜を用いて脱気を行うオンライン脱気装置と
を有することを特徴とし、軌道上の微小重力下の条件に
おける水溶液または水からの気泡除去及び気泡発生の抑
制を確実に行うことができ、これにより水溶液または水
からの気泡除去並びに溶存ガス量の低減を必要とする電
気泳動等の実験に適用でき、実験の成功率を高めること
ができるようにしたものである。

【０００７】請求項２の発明は、気泡の混入した緩衝液
・溶離液等の水溶液または水を加圧して送出する高圧ポ
ンプと、加圧下で該水溶液または水に該気泡を溶解させ
る気泡溶解槽と、該気泡溶解槽から送出された前記水溶
液または水を減圧する減圧手段と、該減圧手段を通過し
た前記水溶液または水から脱気膜を用いて脱気を行うオ
ンライン脱気装置を有することを特徴とし、宇宙実験用
システムとして簡素化をはかることができ、かつ、軌道
上の微小重力下の条件における水溶液または水からの気
泡除去及び気泡発生の抑制を確実に行うことができ、こ
れにより水溶液または水からの気泡除去並びに溶存ガス
量の低減を必要とする電気泳動等の実験に適用でき、実
験の成功率を高めることができるようにしたものであ
る。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、前記脱気膜として、シリコン膜を用いるこ
とを特徴とし、流量による影響を受けず、安定した脱気
性能が得られるようにしたものである。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１ないし３いず
れか１の発明において、前記減圧手段として、減圧用の
キャピラリーチューブと減圧調整弁とを用いることを特
徴とし、気泡を加圧して溶解脱気させるシステムを有効
に機能させるための減圧手段の具体的な構成が与えられ
るようにしたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による気泡除去シス
テムの実施形態を添付された図面を参照して具体的に説
明する。図１は、本発明による気泡除去システムの一実
施形態を説明するための構成図で、図中、Ｂは気泡溶解
槽、Ｄ１は気泡検出器、Ｄ２は溶存酸素計、ＤＧはオン
ライン脱気装置、Ｐ１，Ｐ２は圧力計、ＰＨは高圧ポン
プ、ＲＰはキャピラリーチューブ、Ｔは温度計、Ｖ１，
Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は電磁二方弁（流路切り替え弁）、Ｖ
５は減圧調整弁、ＶＩは気泡注入装置である。本実施形
態の気泡除去システムは、溶液タンクの脱着時にＱＤか
ら混入する気泡を検知して排出する気泡検出排除システ
ムと、この気泡検出排除システムを経てなお残留した気
泡を加圧下で溶解し、溶存ガスを脱気する気泡加圧溶解
脱気システムの２つのシステムを組み合わせて構成した
ものである。なお、本発明の１構成は上記の気泡加圧溶
解脱気システムを単独で構成するもので、この場合に
も、図１に示される実施形態のシステムにおける気泡加
圧溶解脱気システムの動作は、上記システムと動作上変
わりがなく、該当部分は両方の実施形態の開示説明とす
る。

【００１１】気泡検出排除システムは、気泡検出器Ｄ１
と、流路切り替えのための電磁二方弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３
と、制御装置とにより構成され、また、気泡加圧溶解脱
気システムは、高圧ポンプＰＨと、気泡溶解槽Ｂと、キ
ャピラリーチューブＲＰと、減圧調整のための減圧調整
弁Ｖ５と、オンライン脱気装置ＤＧとにより構成されて
いる。

【００１２】以下に、上述した２つのシステムのそれぞ
れの動作について説明する。 １．気泡検出排除システム 混入した気泡を検出するために配管の一部を透明にし、
その部分に光透過型の気泡検出器Ｄ１を設置する。ま
た、気泡検出器Ｄ１の下流側に流路を制御するための電
磁二方弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３並びにこれらの電磁二方弁を
制御する制御装置を設置する。気泡検出器Ｄ１により気
泡が検出された場合、制御装置がこの信号を受けて電磁
二方弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち必要な電磁二方弁の開閉
操作を行い、水溶液（または水）の流路を変更して、気
泡を実験系外に自動的に排出する。気泡が検出されない
場合は、下流に設置される気泡加圧溶解脱気システムに
水溶液を送る。

【００１３】２．気泡加圧溶解脱気システム 前述した気泡検出排除システムで除去しきれなかった気
泡に対して、下記の構成で気泡を溶解させ脱気する。ま
ず、高圧ポンプＰＨにより気泡の混入した水溶液を気泡
溶解槽Ｂに送る。気泡溶解槽Ｂの下流には、キャピラリ
ーチューブＲＰと減圧調整弁Ｖ５を設置してあり、気泡
溶解槽Ｂ内の圧力を加圧状態に保つと同時に、オンライ
ン脱気装置ＤＧの入り口の圧力を運転条件範囲に保つ。
気泡溶解槽Ｂ内に加圧状態で導入された水溶液は、加圧
により気体の溶解度が増加し、水溶液中の残存気泡は、
十分な容量をもつ気泡溶解槽Ｂで水溶液中に溶解する。
オンライン脱気装置ＤＧでは、筒状に形成した膜の内側
に水溶液を流し、このときに膜の外側を減圧状態にする
ことにより、溶存ガスの脱気が行われる。必要に応じて
脱気済み水溶液を系内で循環させ、系全体のガス量を低
減させる。

【００１４】次いで、本発明による気泡除去システムの
性能を確認するためのシミュレーションとして、図１に
示す試験ループを用いて以下の実験を行った。 １．気泡検出排除システムの性能確認 気泡検出排除システムの性能を確認するために、気泡注
入装置ＶＩを設置し、水溶液中に空気を注入し、気泡検
出排除システムにより系外に排出される空気量を測定し
た。このとき気泡注入装置ＶＩから気泡検出器Ｄ１まで
を２０cmとし、気泡検出器Ｄ１からバルブグループ（電
磁二方弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）までを５cmとし、各部の配
管は内径２mmのものを使用した。空気の注入量は、１m
l，０.５ml，０.１mlの３点とした。測定の結果、系外
に排出された空気量はいずれも初期の注入量の９０パー
セント以上であった。すなわち最悪１mlの気泡が混入し
ても下流側に設置されたシステムに流れる気泡を０.１m
l以下に抑えることができる。

【００１５】２．脱気膜の特性確認 脱気膜を用いたオンライン脱気装置ＤＧを設置し、水溶
液の流量による脱気性能特性を評価した。市販の脱気膜
は、使用流量範囲内であれば所定の性能を示すが、本発
明のシステムに適用した場合、その脱気性能が変化する
ことが予想されるため、広い流量域で安定した脱気効率
が得られる脱気膜を選定する必要がある。ここでは流量
範囲を５〜２０mlとし、シリコン素材の膜を二種類作成
して、市販のテフロン膜と比較した。図２は、脱気膜素
材による水溶液流量と酸素透過率との関係を示すグラフ
である。酸素透過率は下式により導いた。 酸素透過率＝（（入口酸素濃度−出口酸素濃度）／入口
酸素濃度）／膜面積 この結果、シリコン膜は実験した流量範囲で安定した脱
気特性を示した。

【００１６】３．加圧時の気泡溶解効果確認 容量２５mlの気泡溶解槽Ｂを用い、空気を１ml注入して
水溶液の脱気循環運転を行った。気泡溶解槽Ｂの内部に
は気泡の溶解を早めるために邪魔板を設け、気泡周りの
流量を確保する構造とし、邪魔板を設けない場合と比較
した。気泡溶解槽Ｂにおける運転圧力条件を変更し、各
圧力条件における気泡溶解時間を測定した。図３は、溶
液流量による圧力と気泡溶解時間との関係を示すグラフ
で、図３（Ａ）に邪魔板を設置した場合、図３（Ｂ）に
邪魔板を設置しない場合の特性を示す。この結果、加圧
時には、非加圧時に比べて１／４から１／３の時間で気
泡が消失し、気泡溶解時間を著しく短縮できる。また、
溶解槽内に邪魔板を設置する場合としない場合では、邪
魔板を設置したものが設置しないものに比べ１／３程度
の時間で気泡が消失した。結果的に邪魔板を設置しない
非加圧の状態と比較して、邪魔板を設置して加圧するこ
とにより気泡消失までの時間を１／１０程度にまで短縮
できる。なお、実際の宇宙実験においては、気泡周りの
流量を確保し、邪魔板と同様の効果を得るために、気泡
をメッシュでトラップした上で、この気泡に対しノズル
から出射する水流を直接あてるようにしてもよい。

【００１７】４．脱気膜下流の溶存酸素濃度 地上試験ループにおいて、オンライン脱気装置ＤＧの下
流の酸素濃度を測定したところ、２ppm前後で安定して
おり、溶解槽内に１mlの気泡を導入しても３ppm程度ま
で一時期上昇するがその後は２ppmに収斂する。酸素濃
度２ppmは、水温８０℃における飽和溶解ガス量に相当
し、実際の運転における電気泳動槽内の温度上昇のレベ
ルでは気泡は発生しないことを示している。既存の電気
泳動システムに設置された従来の気泡除去装置では、溶
存ガス量が運転時の溶液温度の飽和溶解度を下回ること
はなく、本発明により著しい効果が得られたことにな
る。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の効果：気泡検出排除システム
により気泡検出と排出を自動化でき、従来気泡が混入し
た場合に宇宙飛行士が行っていた気泡除去操作を軽減す
ることができる。また、気泡加圧溶解脱気システムの設
置によってこれまで軌道上で提供されていなかった脱気
機能を得ることができる。これらのシステムを組み合わ
せて構成することにより、軌道上の微小重力下の条件に
おける水溶液または水からの気泡除去及び気泡発生の抑
制を確実に行うことができ、これにより水溶液または水
からの気泡除去並びに溶存ガス量の低減を必要とする電
気泳動等の実験に適用でき、実験の成功率を高めること
ができる。また、軌道上で用いる水溶液または水の前処
理として行う地上における脱気処理を簡素化することが
できる。

【００１９】請求項２の効果：これまで軌道上で提供さ
れていなかった脱気機能を得ることができ、特に予測さ
れる混入気泡が小型の場合に好適である。このシステム
により、軌道上の微小重力下の条件における水溶液また
は水からの気泡除去及び気泡発生の抑制を確実に行うこ
とができ、これにより水溶液または水からの気泡除去並
びに溶存ガス量の低減を必要とする電気泳動等の実験に
適用でき、実験の成功率を高めることができる。また、
軌道上で用いる水溶液または水の前処理として行う地上
における脱気処理を簡素化することができる。さらに、
宇宙実験において重要な課題である実験システムの重量
低減及び複雑化の抑制を実現でき、目的に応じた適切な
実験システムを構築できる。

【００２０】請求項３の効果：請求項１または２の効果
に加えて、脱気膜としてシリコン膜を用いることにより
流量による影響を受けず安定した脱気性能が得られる。

【００２１】請求項４の効果：請求項１ないし３いずれ
か１の効果に加えて、気泡を加圧して溶解脱気させるシ
ステムを有効に機能させるための減圧手段の具体的な構
成が与えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による気泡除去システムの一実施形態
を説明するための構成図である。

【図２】 脱気膜素材による溶液流量と酸素透過率との
関係を示すグラフである。

【図３】 溶液流量による圧力と気泡溶解時間との関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｂ…気泡溶解槽、Ｄ１…気泡検出器、Ｄ２…溶存酸素
計、ＤＧ…オンライン脱気装置、Ｐ１，Ｐ２…圧力計、
ＰＨ…高圧ポンプ、ＲＰ…キャピラリーチューブ、Ｔ…
温度計、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４…電磁二方弁（流路切
り替え弁）、Ｖ５…減圧調整弁、ＶＩ…気泡注入装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 範雄 神奈川県横浜市西区みなとみらい２丁目３ 番１号 日揮株式会社横浜本社内 (72)発明者 長谷川 昭 茨城県東茨城郡大洗町成田町2205 日揮株 式会社大洗原子力技術開発センター内 (72)発明者 佐藤 龍也 茨城県つくば市千現２丁目１番１号 宇宙 開発事業団筑波宇宙センター内 (72)発明者 辻 政俊 東京都新宿区西早稲田３−30−16 財団法 人宇宙環境利用推進センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 緩衝液・溶離液等の水溶液または水に混
   入している気泡を検出して該気泡を排除する気泡検出排
   除システムと、該気泡検出排除システムの作用を受けた
   前記水溶液または水を加圧し、該気泡検出排除システム
   を経てなお残留した気泡を該水溶液または水に溶解さ
   せ、得た残留した気泡を溶解させた前記水溶液または水
   から脱気を行う気泡加圧溶解脱気システムとを有する微
   小重力下の水溶液系または水系に発生する気泡除去シス
   テムであって、前記気泡検出排除システムは、前記水溶
   液または水に混入している気泡を検出する気泡検出器
   と、該気泡検出器により気泡が検出された際に、前記水
   溶液または水の流路を切り替えて、検出された該気泡を
   排除する流路切り替え弁と、該流路切り替え弁を制御す
   る制御装置とを有し、前記気泡加圧溶解脱気システム
   は、前記水溶液または水を加圧して送出する高圧ポンプ
   と、加圧下で該水溶液または水に前記残留した気泡を溶
   解させる気泡溶解槽と、該気泡溶解槽から送出された前
   記水溶液または水を減圧する減圧手段と、該減圧手段を
   通過した前記水溶液または水から脱気膜を用いて脱気を
   行うオンライン脱気装置とを有することを特徴とする微
   小重力下の水溶液系または水系に発生する気泡除去シス
   テム。
2. 【請求項２】 気泡の混入した緩衝液・溶離液等の水溶
   液または水を加圧して送出する高圧ポンプと、加圧下で
   該水溶液または水に該気泡を溶解させる気泡溶解槽と、
   該気泡溶解槽から送出された前記水溶液または水を減圧
   する減圧手段と、該減圧手段を通過した前記水溶液また
   は水から脱気膜を用いて脱気を行うオンライン脱気装置
   を有することを特徴とする微小重力下の水溶液系または
   水系に発生する気泡除去システム。
3. 【請求項３】 前記脱気膜として、シリコン膜を用いる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の微小重力下の
   水溶液系または水系に発生する気泡除去システム。
4. 【請求項４】 前記減圧手段として、減圧用のキャピラ
   リーチューブと減圧調整弁とを用いることを特徴とする
   請求項１ないし３いずれか１に記載の微小重力下の水溶
   液系または水系に発生する気泡除去システム。