一种应用表面张力在开放的容器里悬垂放置液体的方法
【专利摘要】本发明“一种应用表面张力在开放的容器里悬垂放置液体的方法”属于液体容器设计制造和液体存放运输领域，解决了在开放的容器里不能悬垂放置液体的难题，系将毛细管植入或直接构造在容器顶端和四壁，利用液体表面张力产生的毛细管作用，以容器壁作为有限边界，将液体悬垂放置在开放的容器里。用此方法设计制造的液体容器可以更充分有效地利用容器空间存放和运输液体，保持液体在容器里平稳不晃动，并且允许容器内外的气体和液体的持续交换，能产生特殊的景观和环境效果，具有不可替代的实用价值。
【专利说明】—种应用表面张力在开放的容器里悬垂放置液体的方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及一种应用液体表面张力产生的毛细管作用在开放的容器里悬垂放置液体的方法，它可用于设计制造工业和商业用途的液体容器，扩展容器容量，保持容器里的液体平稳不晃动，并且允许容器内外气体和液体的连续交换。
【背景技术】
[0002]通常液体都是基于重力水平盛放在开放的容器中，或者利用大气压力盛放在密闭的倒置容器里。但是，因为液体的流动性，前者不能保持液体平稳不晃动；后者因为容器封闭，限制了容器内外的气体和液体的自由交换。本发明专利旨在实现在开放的容器里悬垂放置液体，充分利用容器空间，保持容器里的液体平稳不晃动，并且能保证容器内外气体和液体的持续交换。
【发明内容】
[0003]本发明专利基于发明人的一个新发现:由液体表面张力产生的毛细管作用不仅可以让液体在毛细管内上升一定高度，也能够在毛细管下端口悬垂同样高度的液柱，只要在毛细管下端口提供任何形状的有限连续边界即可(参见附图1)。
[0004]毛细管下端口能够悬垂的液柱高度与毛细管的内半径负相关，可用以下公式描述: [0005]h = 2 Y cos Θ / ρ gr
[0006]式中:h为悬垂液柱的高度(米)，Y为液体表面张力(牛/米)，cos表示余弦函数，Θ为液体与毛细管内壁的接触角(度)，P为液体比重(千克/立方米)，g为重力加速度(米/秒平方)，r为毛细管的内半径(米)。
[0007]其他影响液体表面张力、接触角、液体比重和重力加速度的外界因素，如环境温度、气压、海拔高度以及液体和毛细管自身物理化学特性均会影响毛细管悬垂液体的高度。这里所说的液体包括单一物质构成的无机液体和有机液体以及多种物质组成的溶液、乳液和悬浊液；毛细管指以各种无机或有机固体材料人为制作的和自然天成的毫米级、微米级以及纳米级的孔隙和微管；毛细管上下端口可以是圆形的，也可以是非圆形的。
[0008]1.以单一物质构成的液态蒸馏水和玻璃毛细管为例，在20摄氏度，水的表面张力Y为0.0728牛/米，水与玻璃的接触角Θ设为O度(cos Θ = I)，水的比重P为998千克/立方米，重力加速度g设为9.80米/秒平方，毛细管下端口可悬垂的水柱高度:h =
1.491(T5/r
[0009]内半径为I毫米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为15毫米；
[0010]内半径为100微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为14.9厘米；
[0011]内半径为10微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为1.49米；
[0012]内半径为5微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为2.98米；
[0013]内半径为2微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为7.45米。[0014]2.以单一物质构成的液态橄榄油和内壁有PTFE (Polytetrafluoroethylene,聚四氟乙烯)涂层的毛细管为例，在20摄氏度，橄榄油的表面张力Y为0.0358牛/米，橄榄油与毛细管内壁PTFE涂层的接触角Θ为65.4度(COS0 = 0.4163)，橄榄油的比重P为903.3千克/立方米，重力加速度g设为9.8米/秒平方，毛细管下端口可悬垂的油柱高度:h = 3.36710_6/r
[0015]内半径为2微米的毛细管可悬垂的油柱高度为1.683米；
[0016]内半径为I微米的毛细管可悬垂的油柱高度为3.367米；
[0017]内半径为100纳米的毛细管可悬垂的油柱高度为33.67米；
[0018]内半径为10纳米的毛细管可悬垂的油柱高度为336.7米。 【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图1.毛细管内液体上升与毛细管下端口液体悬垂现象对比的平面侧视图
[0020]图左侧容器I与右侧容器2盛放同样的液体，用相同的毛细管，液体在容器I毛细管内上升的高度为hl，液体在容器2毛细管下端口悬垂的高度为h2，在同一地点，hi =h2.图中实心向上的大箭头表示毛细管力(F。)，F。= 2 YC0s Θ ;空心向下的大箭头表示重力(Fg)，.Fg= Pgh.与毛细管下端口无缝连接的有限边界是毛细管悬垂液体的必要条件。(为清晰演示，毛细管内直径被放大，下同)。
[0021]附图2.开放透明容器悬垂放置营养液养鱼的平面侧视示意图
[0022]打开阀门1，关闭阀门2和3，通过阀门I向容器里注满营养液。然后，关闭阀门1，容器壁作为有限边界，营养液被容器壁上的毛细管下端口悬垂在容器里。打开阀门3，鱼可在容器和鱼槽之间出入；或打开阀门I后，再打开阀门2，可更换容器里的营养液。
[0023]附图3.开放容器加具有毛细管的滑动容器塞悬垂放置液体的平面侧视示意图
[0024]打开阀门，在底部密闭、顶部完全开放的容器里，如箭头所示上下移动具有I个或多个毛细管的滑动容器塞，即可使液体从液槽进入或流出容器。容器壁作为有限边界，毛细管下端口会将液体悬垂在容器里。
[0025]附图4.开放容器用毛细管悬垂放置挥发性液体蒸发降温制冷装置的平面侧视示意图
[0026]打开阀门I和2，挥发性液体(如水)从阀门I进入容器，被毛细管向容器内部的端口悬垂在容器里，并通过毛细管另一端口蒸发部分液体降低容器里留存液体的温度。被冷却降温的液体从阀门2流出容器。容器里的实线箭头表示液体流动方向，容器外的虚线箭头表示毛细管端口液体蒸发散失。
【具体实施方式】
[0027]1.在开放的透明容器里悬垂放置营养液养鱼(参见附图2):在透明容器顶部和四壁植入内半径为200微米或20微米或2微米的玻璃毛细管，数量不限，密度I至50000个/平方毫米，将装满以水为溶剂的营养液用毛细管悬垂放置在容器里，在营养液中可养鱼。因为玻璃毛细管允许容器内外气体和液体自由交换，保证了容器里营养液的养分和溶解氧含量，鱼得以长期生养。改变毛细管的内半径，悬垂液柱的高度随毛细管内半径减小而升高，随毛细管内半径增大而降低。[0028]2.在开放的容器里悬垂放置橄榄油(参见附图3):在容器内部加滑动容器塞，在容器塞中央植入内半径为I微米或100纳米或10纳米的毛细管I个或多个，毛细管内壁被覆PTFE涂层，将橄榄油悬垂放置在容器里。橄榄油充满整个容器空间，并且在运输途中保持平稳不晃动。
[0029]3.在开放的容器里悬垂放置液态水蒸发降温制冷(参见附图4):在刚性或柔性容器侧壁构建内半径为I微米 或2微米的亲水材料毛细管。毛细管数量不限，密度每平方毫米I至200000个。容器底部或顶部通过阀门与开放的水源连接。毛细管向容器内部一侧端口将液态水悬垂在容器里，并通过毛细管另一端口蒸发水分降低温度。降温幅度可通过调节毛细管水分蒸发量控制。
【权利要求】
1.一种在开放的容器里悬垂放置液体的方法，其特征在于在容器的顶部和侧壁植入或构造毛细管，利用液体表面张力产生的毛细管作用，并以容器壁作为有限边界，将液体悬垂在毛细管的下端口，悬垂液柱高度依据公式:h = 2 Y COS Θ / P gr计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述毛细管为用各种无机或有机固体材料人为制作或自然天成的孔隙和微管；毛细管下端口可以是圆形的，也可以是非圆形的；毛细管内半径范围为10纳米至I毫米；毛细管内壁可具有亲水特性，也可具有疏水特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述容器为具有顶部、底部和四壁可以放置液体的器具；容器可为用各种无机材料或有机材料制造的；容器壁可以是刚性的，也可以是柔性的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述液体为各种单一物质构成的无机液体或有机液体，或者由多种物质组成的溶液、乳液或悬浊液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述在开放的容器里毛细管下端口悬垂液体的高度由公式h = 2 Ycos Θ /p gr确定；除了毛细管内半径r外，悬垂液柱高度还受温度、气压、海拔高度等环境因子和液体与毛细管自身物理化学特性的影响。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述利用毛细管作用在开放的容器里悬垂置放液体的方法，设计制造的液体容器适用于观赏水生动物的养殖，液体的存放和运输，液体的蒸发制冷降温 ，但并不仅限于这些工业和商业用途。
【文档编号】A01K63/04GK104026066SQ201410280369
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】邓京维, 邓西民 申请人:邓京维