專(zhuān)利名稱(chēng)：在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，更具體地說(shuō)，為了減少接觸液
體的固體表面上的因流動(dòng)所產(chǎn)生的流動(dòng)摩擦阻力，在固體表面形成微米級(jí)的氣泡的方法。
背景技術(shù)：
直徑大小為微米(y m)級(jí)的氣泡，根據(jù)其大小應(yīng)用于很多領(lǐng)域。例如，直徑為10 40iim的氣泡應(yīng)用在生理活性化方面，40 lOOiim的氣泡應(yīng)用在流體物理方面，500 1000 m的氣泡應(yīng)用在減少船舶阻力方面等。 特別地，對(duì)于海洋運(yùn)輸工具來(lái)說(shuō)，減少流動(dòng)摩擦阻力的研究被認(rèn)為是對(duì)應(yīng)地球溫 室效應(yīng)和環(huán)境污染的下一代高效節(jié)能技術(shù)。為了同趕超日本而位居世界第一的韓國(guó)造船海 洋業(yè)進(jìn)行國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，美國(guó)、歐洲、日本等技術(shù)先進(jìn)國(guó)也把該領(lǐng)域技術(shù)作為核心技術(shù)積極地進(jìn) 行研究。 減少流體流動(dòng)時(shí)在流體與固體間產(chǎn)生的流動(dòng)摩擦阻力，不僅在船舶領(lǐng)域，甚至在 運(yùn)輸設(shè)備、流體設(shè)備以及利用管狀體等的流體運(yùn)輸領(lǐng)域，也具有使能源損失最小化以便提 高能源利用效率、減小流體噪音等附加效果。這種減少流動(dòng)摩擦阻力的技術(shù)，作為代表性 的研究對(duì)象是自適應(yīng)表面法(compliantwall)、空氣噴射法(air injection)、微壕溝法 (riblet)和高分子聚合物注射法(polymer injection)。此外，還有利用電磁或超聲波的 固體表面振動(dòng)技術(shù)等。 通過(guò)檢測(cè)可知，海豚游動(dòng)時(shí)的單位重量肌肉所產(chǎn)生的推動(dòng)力是人類(lèi)或陸地上哺乳 動(dòng)物的約7倍。在觀察海豚的高速游動(dòng)之后，認(rèn)為其能夠高速游動(dòng)依賴(lài)于海豚的皮膚組織， 從而引發(fā)了自適應(yīng)表面法的研究。之后，克雷默(kramer)利用很薄的橡膠彈性薄膜制造出 仿海豚皮的人造皮，將其套在細(xì)長(zhǎng)物體表面測(cè)量阻力，得出最多可減少60%阻力的測(cè)試結(jié) 果。但是，繼承克雷默想法的研究中，還未能得到能證明該觀點(diǎn)的結(jié)果，研究處于停滯狀態(tài)。
空氣噴射法是為了減少摩擦阻力在物體表面附近噴射微細(xì)氣泡的方法。最近的研 究結(jié)果表明，隨著噴射氣泡量的增加，摩擦阻力的減少量也增加，最多可減少80%的阻力， 這點(diǎn)引起了大家的關(guān)注。 微壕溝是通過(guò)改變流動(dòng)的組織結(jié)構(gòu)來(lái)謀求減少摩擦阻力的機(jī)構(gòu)，是在墻面沿著流 向并列挖出小溝槽而形成的。只有溝槽的深度和寬度小于一定尺寸才能夠有效地減少阻 力，最多可減少8%的摩擦阻力；但是如果大于該規(guī)定值，反而增加阻力。實(shí)際上，為了在航 空或船舶領(lǐng)域應(yīng)用，需要在溝槽的分布方法、表面污損的影響等方面需要進(jìn)一步研究。特別 是應(yīng)用于船舶領(lǐng)域時(shí)，最佳的溝槽深度或?qū)挾燃s為0. lmm，但是，由于制作上的問(wèn)題和防止 海洋微生物附著等對(duì)策的原因，以現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。 高分子聚合物注射法是將高分子聚合物涂敷在固體表面，利用界面活性效果來(lái)減 少摩擦阻力的方法。高分子聚合物溶液在幾個(gè) 數(shù)百ppm的稀薄濃度溶液中可大大減少摩 擦阻力。但是，高分子聚合物注射法存在污染環(huán)境的問(wèn)題和聚合物的功能下降時(shí)其效果銳 減的缺點(diǎn)。
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在如上所述的減少流動(dòng)摩擦阻力的技術(shù)中，為了提高今后的實(shí)用性，國(guó)內(nèi)較多研 究的是制造簡(jiǎn)單且易于控制的空氣噴射法。 在美國(guó)，減少流動(dòng)摩擦阻力的技術(shù)被認(rèn)為屬于軍事技術(shù)，從2000年開(kāi)始美國(guó)國(guó)防 部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)以減少50%以上的摩擦阻力為目標(biāo)，實(shí)施了系統(tǒng)化的研究資 助，很多研究所及大學(xué)正在進(jìn)行著對(duì)多項(xiàng)技術(shù)的研究，其結(jié)果作為軍事機(jī)密而未被公開(kāi)。
在以前作為造船強(qiáng)國(guó)的日本，以未來(lái)的藍(lán)海戰(zhàn)略市場(chǎng)盈利為目的，為搶占具有高 附加值的核心技術(shù)，向大學(xué)、研究所以及企業(yè)集中投入研究經(jīng)費(fèi)，開(kāi)發(fā)著減少流動(dòng)摩擦阻力 的技術(shù)。 在韓國(guó)，認(rèn)為國(guó)內(nèi)的研究處于初級(jí)階段。目前，在韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院和浦項(xiàng)工大進(jìn)行 著利用微壕溝及聚合物粘貼等的有關(guān)低速的基礎(chǔ)研究。韓國(guó)海洋研究院和現(xiàn)代重工業(yè)開(kāi)始 進(jìn)行利用噴射微細(xì)氣泡來(lái)減少流動(dòng)摩擦阻力的技術(shù)研發(fā)。 利用空氣噴射來(lái)減少摩擦阻力的技術(shù)，因其易于制造和控制，其研究最為活躍。但 是，其存在傳送到螺旋槳的空氣氣泡可減小推進(jìn)力，浮力分布不均衡引起的船舶安全性的 問(wèn)題，以及氣蝕(caritation)現(xiàn)象使螺旋槳的侵蝕增加和含有氧氣的空氣氣泡使其表面 嚴(yán)重腐蝕的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，在水下的希望位置可方便地自 然生成微細(xì)氣泡，由此，能夠解決噴射空氣時(shí)推動(dòng)力減少、氣蝕引起的侵蝕、噴射空氣所需 的外部裝置等復(fù)雜問(wèn)題。 本發(fā)明提供的一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，包括微溝槽形成步驟和疏水 性處理步驟。在上述微溝槽形成步驟，在固體表面排列形成多個(gè)1 1000微米大小的溝槽； 在上述疏水性處理步驟，在形成有溝槽的上述固體表面涂敷疏水性物質(zhì)。由于在固體表面 排列形成有多個(gè)溝槽并進(jìn)行了疏水性處理，上述固體表面入水后會(huì)在微溝槽處產(chǎn)生微細(xì)氣 泡。 本發(fā)明提供的另一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，包括微細(xì)孔形成步驟和氣
壓提供步驟。在上述微細(xì)孔形成步驟，在固體表面排列形成多個(gè)與加壓部連通的1至1000
微米大小的貫穿孔；在上述氣壓提供步驟，上述加壓部向上述多個(gè)貫穿孔供給一定的氣壓。 另外，優(yōu)選的是，上述在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法還包括疏水性處理步驟，在
上述微細(xì)孔形成步驟之后，在形成有貫穿孔的固體表面涂敷疏水性物質(zhì)。 根據(jù)本發(fā)明，由于在固體表面形成微細(xì)氣泡，利用空氣氣泡與液體之間產(chǎn)生的滑
動(dòng)來(lái)減少流動(dòng)摩擦阻力。 另外，本發(fā)明不僅作為減少摩擦阻力的技術(shù)應(yīng)用，還可以在去除燃料電池在化學(xué) 反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的氣體、生物領(lǐng)域利用空氣氣泡輸送特定樣品、以及IT領(lǐng)域利用空氣氣泡 的光分配器等多種領(lǐng)域應(yīng)用。


圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施例涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡方法的示意圖。
圖2是表示適用于圖1所示實(shí)施例的固體表面的示意圖。
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圖3是表示將圖2所示的固體表面置于水中狀態(tài)的剖視圖。
圖4是表示本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡方法的示意圖,
圖5是表示適用于圖4所示實(shí)施例的固體表面的示意圖。
圖6是表示將圖5所示的固體表面置于水中狀態(tài)的剖視圖。
圖7是本發(fā)明涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡方法的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
11 :溝槽 15 :氣泡
30 :氣體表面 33 :疏水性表層 38 :加壓部
10 :固體表面 13 :疏水性表層 20 :水 31 :貫穿孔 35 :氣泡
具體實(shí)施例方式
圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施例涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡方法的示意圖，圖 2是表示適用于圖1所示實(shí)施例的固體表面的示意圖，圖3是表示圖2所示的固體表面置于 水中狀態(tài)的剖視圖。 參照?qǐng)D1至3說(shuō)明本發(fā)明涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法的一實(shí)施例。
在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，包括微溝槽形成步驟S10和疏水性處理步驟 S20。 微溝槽形成步驟S10是在固體表面形成溝槽11的步驟，以便在固體表面10排列 設(shè)置1 lOOOym尺寸的溝槽。溝槽11的截面形狀可以是四邊形、三角形、梯形以及圓形 等多種形狀。 疏水性處理步驟S20是在形成有溝槽的固體表面上涂敷疏水性物質(zhì)的步驟。經(jīng)過(guò) 疏水性處理步驟S20，在固體表面IO形成了疏水性表層13。固體表面疏水性處理中，可使 用化學(xué)物品、聚合物、金屬等。 如果將上述固體表面10置于水中，在固體表面10的溝槽11處會(huì)產(chǎn)生氣泡15。上 述氣泡15可減少與水20的摩擦力。 圖4是表示本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡方法的示意圖， 圖5是表示適用于圖4所示實(shí)施例的固體表面的示意圖，圖6是表示將圖5所示的固體表 面置于水中狀態(tài)的剖視圖。 參照附圖4至6說(shuō)明本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及的在固體表面形成微細(xì)氣泡的方 法。 在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，包括微細(xì)孔形成步驟S50和疏水性處理步驟 S60、以及氣壓提供步驟S70。 微細(xì)孔形成步驟S50是在固體表面形成貫穿孔31的步驟，以便在固體表面30排 列設(shè)置與加壓部38連通的1 1000 ii m尺寸的貫穿孔31。貫穿孔31在固體表面30連通 至加壓部38，其截面形狀可以是四邊形、三角形、梯形、圓形等多種形狀。
疏水性處理步驟S60是在形成有貫穿孔31的固體表面涂敷疏水性物質(zhì)的步驟。經(jīng) 過(guò)疏水性處理步驟S60，在固體表面30形成疏水性表層33。
在氣壓提供步驟S70，由加壓部38向上述多個(gè)貫穿孔31供給一定氣壓。
如果將上述固體表面30置于水中，在固體表面30的貫穿孔31處產(chǎn)生氣泡35。若 采用圖1所示的方法，當(dāng)固體表面10下至水壓較高的深度時(shí)，氣泡15的尺寸因水壓變小， 氣泡15會(huì)進(jìn)入到溝槽11內(nèi)部或者嚴(yán)重時(shí)發(fā)生破裂，這時(shí)，氣泡不能減少流動(dòng)摩擦阻力，因 此該方法不適用于減少下潛至深水處的物體的流動(dòng)摩擦阻力。但是，根據(jù)圖4所示的方法， 由于加壓部38提供一定壓力的氣壓，即使水壓較高，氣泡也不會(huì)發(fā)生破裂而被保持。因此， 圖4所示的方法可適用于減少下潛至深水處的物體的流動(dòng)摩擦阻力。 圖7是本發(fā)明涉及的在固體表面產(chǎn)生微細(xì)氣泡方法的數(shù)值分析結(jié)果。為了確認(rèn)利 用附著在固體表面的微細(xì)氣泡來(lái)減少流動(dòng)摩擦阻力的可能性，進(jìn)行了自由面(VOF)的二維 數(shù)值分析。當(dāng)通道的尺寸為高500iim、排列的微細(xì)氣泡直徑為100iim時(shí)，比較了入口流速 為lm/s時(shí)所需壓力，結(jié)果得出，氣泡的存在使流動(dòng)摩擦阻力減少了 40%以上。
權(quán)利要求
一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，其特征在于，包括微溝槽形成步驟，在固體表面排列形成多個(gè)1～1000微米大小的溝槽；疏水性處理步驟，在形成有溝槽的所述固體表面涂敷疏水性物質(zhì)。
2. —種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，其特征在于，包括微細(xì)孔形成步驟，在固體表面排列形成多個(gè)與加壓部連通的1 IOOO微米大小的貫穿孔；氣壓提供步驟，由所述加壓部向所述多個(gè)貫穿孔供給一定的氣壓。
3. 如權(quán)利要求2所述的在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，其特征在于，還包括 疏水性處理步驟，在所述微細(xì)孔形成步驟之后，在形成有所述貫穿孔的固體表面涂敷疏水性物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在固體表面形成微細(xì)氣泡的方法，更具體地說(shuō)，為了減少固體表面因液體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦阻力，在固體表面形成微米級(jí)的氣泡的方法。該方法包括微溝槽形成步驟，在固體表面排列形成多個(gè)1～1000微米大小的溝槽；疏水性處理步驟，在形成有溝槽的所述固體表面涂敷疏水性物質(zhì)。由于在固體表面排列形成多個(gè)溝槽并進(jìn)行了疏水性處理，上述固體表面入水后會(huì)在微溝槽處產(chǎn)生微細(xì)氣泡，從而，利用空氣氣泡與液體之間產(chǎn)生的滑動(dòng)來(lái)減少流動(dòng)摩擦阻力。
文檔編號(hào)B63B1/38GK101767629SQ20091017689
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者權(quán)俸鉉, 金紋呈, 高廷相 申請(qǐng)人:釜山大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)