(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開始材管構造であって、一組の第１世代の分配管と連通する開始材の入口を有し、第１世代の分配管の各々は一組の第１世代の出口のうちの一つにて終結し、前記第１世代の出口は、前記開始材管構造のクロスバーにより定義される第１世代の基準面の第１側に位置する第１の集団と、前記第１世代の基準面に関して該第１世代の基準面の第１側と反対側の第１世代の基準面の第２側に位置する第２の集団とを含む、前記開始材管構造と、
前記第１世代の管構造と比べて縮小されたスケールを有し、数において前記一組の第１世代の出口の数と等しい、一組の第２世代の管構造と、を備え、
前記第２世代の管構造の各々は前記第１世代の出口のうちの一つおよび一組の第２世代の分配管と連通する第２世代の入口を有し、第２世代の分配管の各々は一組の第２世代の出口のうちの一つにて終結し、
前記第２世代の構造の各々に関連する前記第２世代の出口は、前記第２世代の管構造の各々のクロスバーにより定義される第２世代の基準面の第１側に位置する第１の集団と、前記第２世代の基準面に関して該第２世代の基準面の第１側と反対側の前記第２世代の基準面の第２側に位置する第２の集団とを備え、前記第２世代の基準面は前記第１世代の基準面と離間し且つ前記第１世代の基準面とほぼ平行である、装置。
【請求項２】
前記第２世代の管構造の形状が前記開始材管構造の形状とほぼ同じであるがスケールは縮小されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
内部に流体を閉じこめる体積を有する容器に関して、前記装置が前記体積内に配置される請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記容器が第１の流体成分を入れられるように形成かつ配置された処理ゾーンを有し、
前記装置が前記ゾーン中に出口をほぼ等しく離間させて配置するように形成かつ配置されている請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１世代の入口がハブと連通し、前記第１世代の分配管がスポークとして前記ハブから放射状に広がる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２世代の管構造の形状が前記開始材管構造の形状とほぼ同じであるがスケールは縮小されており、各第２世代の管構造の第２世代の分配管はスポークとして中心にある第２世代のハブから放射状に広がり、中央にある第２世代のハブは前記第１世代の出口と流体の移動が可能であるように連通する請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記開始材管構造の形状が複数の世代を通じてより小さいスケールへと連続的に繰り返されるフラクタル構造の特徴を備えた請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１世代の入口がハブと連通し、前記第１世代の分配管がスポークとして前記ハブから放射状に広がる請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第２世代の管構造の各々の第２世代の分配管がスポークとして中央にある第２世代のハブから放射状に広がり、該ハブは前記第１世代の出口と流体の移動が可能であるように連通している請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
分岐管から形成された流体スケーリングカスケードであって、
前記カスケードの第１の端部において最大スケールの管と、
前記カスケードの第２の端部において複数の最小スケールの管と、を有し、
前記最大スケールの管は、最小スケールの管と対応する連続的な分岐において連続的に分かれることにより、前記最小スケールの管と接続され、
前記最小スケールの管は前記最大スケールの内径よりも小さい内径を有し、それによって、
カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部までカスケードを通って流れる流体は、より小さい流れの単位に段々に縮小される結果、
カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部までカスケードを通って流れる流体は前記カスケードを収容する体積へとほぼ均質に出ていく、流体スケーリングカスケード。
【請求項１１】
開始材管構造の形状が複数の下降する世代を通じて連続的に小さくなるスケールに繰り返されるフラクタル構造の特徴を備えた請求項10に記載の流体スケーリングカスケード。
【請求項１２】
前記開始材管構造が、
ハブと流体の移動が可能であるように連通する入口と、
スポークとして前記ハブから放射状に広がる複数の第１世代の分配管と、を備える請求項11に記載の流体スケーリングカスケード。
【請求項１３】
前記第１世代の分配管の各々が対向する方向に向いた一対の出口にて終結し、出口の各々は第２世代の管構造の入口と流体の移動が可能であるように連通した状態で前記入口と構造的に接続される請求項12に記載の流体スケーリングカスケード。
【請求項１４】
前記第１世代の分配管は４つのほぼ水力学的に等しいスポークを備えた十字を形成し、
それによって前記開始管構造は８つの出口を備え、前記出口は想像上の立方体の８つ角にそれぞれ配置される、請求項13に記載の流体スケーリングカスケード。
【請求項１５】
流体を閉じこめる体積を形成する容器と、
前記容器の内部に取り付けられた分岐管から形成された流体スケーリングカスケードとを備え、前記カスケードは、
前記カスケードの第１の大きいスケール側の端部の位置に最大スケールの管と、
前記カスケードの第２の小さいスケール側の端部の位置に複数の最小スケールの管と、を備え、
前記最大スケールの管は、最小スケールの管と対応する連続的な分岐において連続的に分かれることにより、前記最小のスケールの管と接続され、
前記最小スケールの管は前記最大のスケールの内径よりも小さい内径を有し、
前記カスケードは、
カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部までカスケードを通って流れる流体は、より小さい流れの単位に段々に縮小され、最終的には前記小さいスケールの端部からほぼ均質に前記体積へと出ていき、
カスケードの小さいスケールの端部から大きいスケールの端部までカスケードを通って流れる流体は、より大きい流れの単位に段々に拡大され、それによって前記体積から前記小さいスケールの端部を通って最終的には前記大きいスケールの端部へとほぼ均質に出ていく流体を回収することができるように前記体積内で構成され配置される、装置。
【請求項１６】
前記最大スケールの管が前記最小スケールの管と、段々とスケールが縮小する複数の下降する世代に対応してスケールが縮小する一連の管を介して接続される請求項15に記載の装置。
【請求項１７】
分岐管の各世代が前記カスケードの他の各世代の管とほぼ同量の流体を含むようにスケーリングされる請求項16に記載の装置。
【請求項１８】
開始材であって、第１世代の管構造を構成し、一組の第１世代の分配管と流体の移動が可能であるように連通する開始材入口を有し、前記分配管の各々は一組の第１世代の出口のうちの一つにて終結し、前記第１世代の入口はハブと連通し、前記第１世代の分配管はスポークとして前記ハブから放射状に広がる開始材と、
複数の下降する世代の管構造であって、個々の管構造が前記開始材とほぼ同じに形成される管構造と、を有する請求項17に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１世代の分配管は４つのほぼ水力学的に等しいスポークを備えた十字を形成し、
それによって前記開始材の管構造は８つの出口を有し、前記出口は想像上の立方体の８つ角にそれぞれ配置される、請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
流体を閉じこめる体積を形成する容器と、
前記容器の内部に取り付けられた分岐管から形成された第１の流体スケーリングカスケードであって、
前記第１のカスケードの第１の端部の位置に最大スケールの管と、
前記第１のカスケードの第２の端部の位置に複数の最小スケール管と、を備え、
前記最大スケールの管は、最小スケールの管と対応する連続的な分岐において連続的に分かれることにより、前記最小スケールの管と接続され、
前記最小スケールの管は前記最大のスケールの内径よりも小さい内径を有する前記第１の流体スケーリングカスケードと、
前記容器の内部に取り付けられた分岐管から形成された第２の流体スケーリングカスケードであって、
前記第２のカスケードの第１の端部の位置に最大スケールの管と、
前記第２のカスケードの第２の端部の位置に複数の最小スケールの管と、を備え、
前記最大スケールの管は、最小スケールの管と対応する連続的な分岐において連続的に分かれることにより、前記最小のスケールの管と接続され、
前記最小スケールの管は前記最大のスケールの内径よりも小さい内径を有する前記第２の流体スケーリングカスケードと、を備え、
前記第１および第２のカスケードの前記体積内において、
前記第１カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部まで前記第１のカスケードを通って流れる流体がより小さい単位の流れに段々に縮小されることによって、前記第１カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部まで前記第１のカスケードを通って流れる流体はほぼ均質に前記体積へと出ていき、
前記第２カスケードの小さいスケールの端部から大きいスケールの端部まで前記第２カスケードを通って流れる流体がより大きい単位の流れに段々に拡大されることによって、前記第２カスケードの小さいスケールの端部から大きいスケールの端部まで前記第２カスケードを通って流れる流体は前記体積からほぼ均質な量の流体を回収することができる、ように構成され配置される装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
発明の分野  本発明は流体の混合に関し、特に乱流を最小にする混合技術に関する。本発明は反復的なカスケード管構造を提供する。
従来技術の現状  乱流は流体の運動における最も重要な現象の一つである。流体流れのほとんどは乱流である。一般的な例としてはプロセス混合、川の流れ、流体ジェット流、気流および海流、ポンプ流、プルーム、および航跡がある。乱流は渦カスケードが発達したものと特徴づけられる。「カスケード」という言葉は本開示においては一連の領域を通って高いエネルギーレベルから低いエネルギーレベルへと進む流体流れの特徴を表すものとして使用される。渦カスケード内では、流れにより、流体の物理的性質に関して空間的および時間的に速い変動が起こる。乱流の特徴は、エネルギーの流れが、大きい空間スケールから小さい空間スケールへ向かうということである。エネルギーは渦カスケードを通過して降りていき、渦はどんどん小さくなり、最終的にエネルギーは流体の固有粘度により熱として散逸される。
乱流は広範なプロセスに利用される。このプロセスには、熱伝導、物質移動、流体の分配、および混合が含まれる。このような実際的な用途に役立つ一方で、乱流は、乱流が存在する工業プロセスに限界や否定的な特徴を強いることもある。
乱流は混合操作の際にいつでも存在する。分子の拡散は用途が限られた非常に遅いプロセスである。粘度が非常に高い物質を混合するには「伸ばして折りたたむ」技術が使用されるが、実用的な他の使用法はほとんど存在しない。ほとんどすべての他の混合形式も、誘導されたなんらかの形の乱流を含む。最も一般的には、所望のレベルの振動を生じさせるために、機械的相互作用が使用される。混合装置には推進器、撹拌装置、通気装置、震動装置、配合機、およびポンプが含まれる。他の装置は流体の噴流、バッフル、または衝突構造といった様々な形態に依存している。別の方法として、混合される流体を、「動かない」すなわち「静的な」混合機と呼ばれる種類の装置の中に通過させることもできる。このような装置は構造に関して静的であるが、流体間の乱流を起こすように内部要素が配置されている。
乱流の起きない混合装置はまれであり、一般に経験する事柄とは相反する。米国特許第4,019,721号は「乱流を起こさない」ことを特徴とする混合機について開示している。この特許の装置は、重たいボールが入ったチャンバーへと上方に流体を通過させることによって作動される。この開示によって認められるのは、乱流はボールの下流側においておそらく流体に引き起こされており、さらに、流体がボールの周囲に流れる時の他の乱流を起こさない混合効果についてはほとんど理解されていないということである。
流体の混合は乱流プロセスとみなされており、混合の効率は乱れの激しさの関数とみなされる。一般に、乱れを増すにつれて混合は改善されると理解されている。乱れの増加は、例えばミキサーの刃の回転速度を増したり（一分間あたりの回転「rpm」を増加する）、流体をより激しく振動させたり、より速く撹拌したり、乱流を起こすバッフルを加えたり、流体にエネルギーを加える同等な手段を与えたりすることによって行われる。
「収着プロセス」は流体の流れを固体粒子から成る固定ベッド（収着床）と接触させることに関する。このような操作において、固体の収着物質は、固体粒子の周囲および／または固体粒子の中の空隙を通って移動する流体によって取り囲まれる。通常の形式の収着プロセスには固体の収着物質で充填されたカラムが含まれる。処理される流体はカラムの中を上方か下方のどちらかに向けて通過させられる。このようなプロセスに関する重要な特徴は、流入してくる流体はベッドの中を移動する断面積として通過するということである。断続的にまたは連続的に流体をカラムへ導入し、かつ流体をカラムから集めるために、流体の分配器が使用される。米国特許第4,999,102号および同第5,354,460号はカラムの断面積にわたる均質な分配／回収を請求の範囲とした工業的流体分配器の設計の最近の例について開示している。これらの装置や他の同様な装置の目的は、二次元の流体表面を分配および／または回収することである。
収着物質のベッドに流体の全体積を迅速に分配する一般的な方法は、勢いのよい乱流混合を引き起こすことである。例えば、流体と固体とを一緒に勢いよく撹拌または混合しつつ、固体粒子のベッドに流体を加えることができる。このような乱流プロセスにより迅速に体積を混合する目標は達成されるが、一方で、望ましくない結果もいくつか起こる。例えば、このような環境下の乱流により、ベッドは流動化されるため、有効に充填されたベッドを操作できる可能性はなくなる。固体ベッド粒子の機械的摩耗も不可避に増加する。その上、このようなプロセスを連続した方法で行った場合、流入してくる未処理の物質と、システムから出ていくのがふさわしい処理済物質との混合が絶えず起こってしまう。流動化に関するこのような望ましくない特徴は、乱流のない条件下で、充填されたカラムの上方または下方に向かって流体を流す従来の好適な方法によって回避される。
米国特許第5,307,830号は部分的に開いた弁要素または閉じた弁要素の下流で乱流を減小する方法について述べている。この装置は、乱流を穏やかにし、得られた流体を体積というよりもむしろ断面積に関して分配する、大きさが同じ一群の管を備える。
管の三次元フラクタル構造が自然界に存在することはよく知られている。例えば、心臓の血管および肺の気管はフラクタル構造を示す。これを発展させた構造が有用であるということは、身体の細胞に流体を分配し細胞から流体を回収する能力（血管）、およびガス交換のための大きい表面積を与える能力（肺）を含めて理解される。このような構造を流体間の乱流に代わる有効な手段として使用することができるということは理解されていなかった。さらに、この種の装置を設計し実際に使用するための手順について述べた方法は以前には開示されていなかった。
乱流に伴う不都合をなくし優れた混合を行うことのできる装置またはシステムが依然として必要である。
発明の開示
本発明は空間を充填するフラクタル構造として配列させた流体の管の利用方法ほ含む。人工的な渦カスケードが通常流体間の乱流を示すかまたは必要とする事象の流体間の乱流の代わりとして機能する。本発明では流体間の乱流の構造および力学が起こる空間規模が広範囲に減小される。この減小は、所定の流体を人工的な流体管の渦カスケード構造に通過させることによって成し遂げられる。
本発明は非常に静かな方法で流体を効果的に混合する構造的形態および方法を提供する。特に、管のフラクタルカスケードは流体間の乱流の特徴である自由な渦カスケードと代わる。
本発明によれば、第１の流体は第２の流体の体積中に直接注入されることによって分配される。このように、乱流の起こる混合装置によって引き起こされる複雑な揺動を誘導しなくても、流体を混合することができる。本発明の装置は体積内の局部的な混合をも可能にする。第１の流体成分を、第２の流体成分の少量部分の体積中で混合することが可能である。この局部的な混合の能力は、特に混合が速い場合、乱流による混合条件下では利用できない。
従来の「静的な」混合機とは異なり、本発明の装置は実際に流体間の乱流をほとんど起こさない方法で機能する。本発明の予期しなかった特徴は、流体間の乱流が減小するにつれて混合の能率は増加するということである。この特徴はこれまで受け入れられてきた混合の原理と完全に矛盾するものと考えられる。
一般に、本発明の装置は反復的に流体の管が小さくなり反復的に数が多くなる管構造を含む。この構造により、流体がこの構造を通過する時、乱流が減小する。結果として、カスケードの中を降りて通過する流体は、乱流の渦カスケードに通常関連する、空間的スケーリング効果を受ける。大きいスケールの流体の動きが、より小さい、可視化される物理的動きを有する単位へと、反復的に分割される。さらに、当該装置は、多数の管のアセンブリを備え、そのアセンブリの管の出口は空間を充填する分配を遂行するように配置される。結果として、構造から出ていく縮小された流体は、乱流の渦カスケードに通常関連する、分配または混合の効果を受ける。出ていく流体は、装置が配置されたカスケードを収容する流体体積のいたるところに散在される。
本発明の装置は流体の回収装置としても機能し得る。流体の流れ方向を逆にすると、システム内の各出口は回収口として機能する。このように流体は体積から回収され、上方へ向かってカスケードを通過する。このように装置を使用することにより、体積のいたるところから流体をほぼ均質な方法で集める手段が提供される。当該装置の空間を充填する特徴の結果として、装置により三次元の体積の流体が排出および／または回収される。
本発明の特定の実施形態である配置における重要な技術は、フラクタル幾何の使用である。フラクタル構造はスケール不変を示す数学的構造体である。このような構造では自己相似な幾何が幾スケールも繰り返される。フラクタル構造は本発明を実行するための必要条件ではないが、同構造を利用すると、設計プロセスを手早く処理したり、奥行きがあり柔軟なスケーリング能を与えたりするのに都合がよい。本発明に応用されるフラクタル幾何により、設計者は任意の用途に適した所望の密度の空間を充填する点を容易に配置できるようになる。適切な設計方法には「開始材」の縮小版を加えることを含む。縮小した構造が加えられると、末端箇所の密度は増加する。末端箇所の配管網が密になるにつれて、混合の効果は増す。同時に、流体間の乱流は減小する。
縮小の特徴および体積を分配する特徴の結果として、当該装置は乱流を減小させた混合または乱流の減小のうちの少なくとも一方の目的で使用することができる。体積からの流入および流出に多数の装置を使用することにより、連続的な乱流が少ない体積の流体の分配および回収が行われる。
本発明の基礎の構造単位は、一組の第１世代の分配管と連通する開始材入口を有する開始材管構造として、見ることができる。第１世代の分配管の各々は一組の第１世代の出口のうちの一つにて終結する。第１世代の出口は第１世代の基準面の第１側に配置された第１の集団と、第１世代の基準面の第２側に配置された第２の集団とを備える。現時点で想定される最も簡単なものでは、第１世代（開始材）の入口がハブと連通し、第１世代の分配管はスポークとして、理想的には４本の水力学的に等しい脚部材として、ハブから放射状に広がる。構造を対称だと仮定すると、第１世代の出口は想像上の立方体のほぼ８つ角の位置に配置される。
第１世代の管構造と比べてスケールが減小した、一組の第２世代の管構造は、第１世代の出口と構造的に、且つ流体の流れに関して、接続される。一組の第２世代は一般に、一組の第１世代の出口の数と数的に等しい、ほぼ同じ部材を有する。第２世代の組の管構造の各部材は開始材の構造的形態を模倣するが、スケールは一般に50％小さい。それゆえ、このような部材の各々は、第１世代の出口のうちの一つと一組の第２世代の分配管との間を連通する、第２世代の入口を有する。第２世代の分配管の各々は一組の第２世代の出口のうちの一つにて終結する。
第２世代の管構造の組の各部材に連結された第２世代の出口も又、第２世代の基準面の第１側に配置された第１の集団と、第２世代の基準面の第２側に配置された第２の集団とを有するが、第２世代の基準面は第１世代の基準面からは離間され、ほぼ平行になっている。これらの面の中には一致するものもあり得るが、第２世代の部材の各々は、個々の第２世代の基準面に関して可視化されなければならない。４つの脚に８つの出口というパターンに従って、各第２世代の部材の第２世代の出口も又、想像上の各立方体の各々の角に配置されるだろう。
本発明の完成されたアセンブリは分岐する管から成る流体スケーリングカスケードとして見ることができる。当該カスケードは必然的に、カスケードの第１の端部、すなわち大きいスケールの端部に、最大スケールの管を備え、カスケードの第２の端部、すなわち小さいスケールの端部に、複数の最小スケールの管を備える。当然のことながら、カスケードの小さいスケールの端部はカスケード構造によって占められる体積中にくまなく分配される。最大スケールの管は、最小スケールの管と対応する連続的な分岐において連続的に分かれることにより、最小のスケールの管に接続される。カスケードの大きいスケールの端部から小さいスケールの端部までカスケード中を流れる流体はより小さい単位の流れに段々に縮小され、その方向へとカスケード中を流れる流体は最終的にカスケードを収容する体積の中へとほぼ均質に出ていく。カスケードの小さいスケールの端部から大きいスケールの端部までカスケード中を流れる流体はより大きい単位の流れに段々に拡大され、それによって、小さいスケールの端部を介してカスケードを収容した体積からほぼ均質に流体を集めることができ、ついには大きいスケールの端部から流体を出すことができる。
最大スケールの管は段々にスケールが減小する複数の下降する世代に対応する、スケールが減小する一連の管を通じて、最小スケールの管まで連結される。理想的には、分岐管の各世代は、カスケード内の他の世代の管の各々と同様、ほぼ同量の流体を含むようにスケーリングされる。
本発明の重要な利点は、流体間の乱流のある例を、空間を充填する、乱流を減小させる装置と取り替えることができるということである。例えば、従来の乱流のあるベッドにおいて混合を行うための代替手段としてこの装置を使用すると、多くの予想もしなかった利点が得られる。この使用に関して、装置は体積を分配／回収する対として作動される。処理される流体は固体の収着物質を取り囲む乱流を減小させた流体と混合することができるので、ベッドは乱されない。ベッドは充填されたまま残され、処理済み物質と未処理物質とによる、乱流によって起こる連続的な混合は減小する。このように、乱流のある混合条件下で日常的に経験する不都合な点をなくし、ベッド物質の全体積を利用することが有効になる。
通常のカラムフロー法に関して本発明の装置を使用すると、ベッドの全長にわたって流体が通過するのを防ぐことができる。結果として、ベッドの圧力降下は対応する分配点と回収点との間の通過長さに減小される。この修正により圧力降下依存性のエネルギー要求を減小し、高圧カラムの設計に関する費用および材料が多くなるのを防ぐことができる。圧力降下が小さくなることによって、カラムフロー操作に通常必要とされる粒子サイズよりももっと小さいサイズの収着物質を使用することもできる。大部分の例において、分子サイズがより小さくなると、収着の動態が速くなる。なぜならば、サイズが減小するにつれて、収着物質の表面積は増加するからである。動態が速くなることによっても、より多くの物質をより短い期間の間に処理することができるので、装置のサイズを小さくすることができる。これまでは、従来の表面分配器または収着プロセスに使用される乱流ベッド混合方法に代わる、空間を充填する、乱流の少ない装置は考えられていなかった。本発明の装置は多くの他の実際的な用途を有し、その用途においてフロースルーカラムに通常存在する要素は取り替えることができる。例えば、断面型の分配器／回収装置は本発明の体積型分配器／回収機と取り替えることができる。
本発明は一般に、流体を障害物を迅速に通過して流したり、または流体ジェットを静止した流体に入れたりすることに関するプロセスを修正するのに役立つ。乱流条件下において、このようなプロセスによって流体に乱流による渦が生じ、結果として、制御不能な物理的性質の変動が、多くのスケールの測定において起こる。本発明によって、第２の流体の体積中を移動している流体を、均質な方法で乱流による乱れを減らして迅速に分散させることが可能となる。通常の不規則な大きなスケールの流体間の渦による影響が少なくなる。ゆえに、当該装置は、乱流の源より下流で、乱流による物理的性質の変動を減小するために使用することができる。流体ジェット、計器のノイズ、プルーム生成、または航跡源により通常生じる乱流は、制御された方法で抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、管より構成された人工渦カスケードパターン開始材の等角図である。
図２は、３つのスケールのフラクタルパターンが一つの通路に沿って組み立てられている、部分的に組み立てられた人工渦カスケードを示す等角図である。
図３は、図２に示された人工渦カスケードの組み立ての続きを示す等角図である。
図４は、全部で４つのスケールのフラクタルパターンを備えた、完成した人工渦カスケードの等角図である。
図５は、流体を多数に分離して通過させ、および／または流体の流れを多方向に向けることのできる、人工渦カスケード構造の等角図である。
図６は、図５に示された構造と同様な性能を有する別の構造の等角図である。
図７は、
図7aが、仕切り要素の絵画図、
図7bが、図7aの要素を組み立てた状態で示した、図５および６と目的を同じくした別の構造の絵画図である。
図８は接続を断った分岐したカスケードを示す拡大立面図である。
発明を実施するためのベストモード
本発明の好適な人工渦カスケード開始材20が図１に示される。図２、図３、および図４には、この開始材20に基づいて形成されたカスケード装置の段階的に広がる構造を示す。重複して記述しないようにするため、本開示においては、「入口」という言葉はカスケード装置に取り付けられたただ一つの最大の内径を有する管の入口（符号21、図２）を表すものとして、「出口」という言葉は最小の内径を有する多数のカスケードの管を表すものとして、一貫して使用される。しかしながら、カスケード装置が流体を回収するために使用される場合、これら二つの名称は逆に用いられる方がより適切であることは認識すべきである。本開示では、構造については入力装置としての使用を特に強調して述べられる。
概して符号20で示された開始材は、管から形成されており、管の断面の形は都合の良いどのような形であってもよい。示されるように、概して符号22で示された内部開口クロスバー管が、円柱の金属管またはプラスチック管から形成される。本発明を構成する材料は普通、特定の用途の必要に応じて選択されるが、重要度としては二の次である。クロスバー管22は中央ハブ24および複数の放射状に広がるスポーク26を備えると考えられる。他のハブおよびスポークの形態も想到範囲内にあるが、例示された簡単な「十字」の形態が一般に望ましく、大部分の応用に対して十分なカスケードの性能を提供する。
クロスバー管22は４本のスポーク26を有し、その各々が脚28の各々の内部体積と連通した状態で終結している。脚28も又管から形成され、対向する両端において出口30で終結している。示されるように、管の脚28の出口30は一つの立方体の８つ角に配置されているが、他の形態も実施可能である。流体はクロスバー管22のハブ24からどの出口30へも自由に流れることができる。当該開始材は、クロスバー中央ハブ24から各終端30への通路の水力学的特性がほぼ等しくなるように形成される。
脚28およびクロスバー22は同等な管の内径を有するように示されている。別の実施形態において、クロスバー管22から脚28へと管の内径を減小させることを組み込んでもよい。開始材の構造20において種々の角度の曲がり目が90度の屈曲で示されているが、滑らかに曲がった管の屈曲部を提供しても同様に有効である。
図２は、図１に示した開始材22を縮尺したものを、総括的に32で示すカスケードの配列32に組み立てる方法を示す。伝達管36はハブ24においてクロスバー管22と連通しており、カスケード開始材20へまたはカスケード開始材20から流体が流出入することができる。伝達管36はクロスバーハブ24と垂直に配置された状態で示されている。管36の末端開口部21はカスケード32の入口としての役割を果たし、流体は、この入口21を通って矢印Ｉで示される方向に向かってカスケード32に供給される。
スケールの小さい第２世代の構造、概して符号42が、クロスバーおよび脚管から形成されるが、これらは数および配置において開始材の場合と一致している。図示された特定の実施形態において、第２世代の構造42は開始材のスケールの50％縮小率のスケールに形成される。さらにスケールの小さい第３世代の構造46は、第２世代の構造42を50％縮小することによって同様に形成される。引き続き縮小する段階（世代）の各々に対して縮小率を50％にすることにより、構造に加えられるスケールの世代の数に関係なく、出口での密度は体積のいたるところでほぼ等しくなるだろう。
各第２世代の構造42のクロスバー50は、開始材20の８つの出口のうちの１つに対して横向きに、一般的には垂直に、配置され、その出口のうちの一つの上に中心が置かれる。第３世代の構造46の各々のクロスバー52も、第２世代の構造42の出口54のうちの一つに関して同様に配置される。第３世代の構造46に関して流体は入口21から出口60へと自由に流れる。
図３は図１の開始材20を基礎に置いたカスケード32の連続構造を示すが、３つの世代を通してスケーリングされている。完成された場合、第２世代の構造42の８つのコピーが開始材20に取り付けられ、第３世代の構造46の８つのコピーが２代目の構造42の各々に取り付けられるので、第３世代の構造46の総コピー数は64個となる。出口60の総数は512個となる。完成された場合、流体流れは入口21から入り、512個の通路をほぼ等しく流れ、出口60から出る。流体は出口60を出て、装置を取り囲む体積の中へ入るだろう。
入口21から任意の出口60への通路の水力学的特性はほぼ等しい。任意の通路を通して、管の長さはほぼ等しく、各スケールにおいて管の数、角の屈曲部の大きさ、および管の内径も同様に等しい。この特性についてより簡潔に述べると、通路に対称操作を適用することによって、入口21からいずれか特定の出口60へ至る通路を、入口21からいずれか別の出口60へ至る別のどの特定の通路からも生成することができる。例えば、カスケード32を回転したり、または鏡映したりすることによって、どの通路も装置内の他の通路と同等であることが示され得る。
実際の装置は、図示した実施形態に関して述べられたよりも通路を少なくして、スケールの対称性が少ないように形成してもよい。例えば、開始材の形態から出発して下降する世代の管の構造を組み込むことによって、管は縮小されるので、カスケードアセンブリのフラクタル反復は中断され得る。下降する世代の管構造は異なる百分率で縮小させることができる。
図４は４つのレベルのスケールを備えた完成されたカスケードを示す。図３に示したカスケード32と比較すると、図３の第３世代の構造46を50％縮小することによってさらなる第４世代の管構造64が追加されている。第４世代の管構造64のクロスバー66は第３世代の管構造46の出口60に関して取り付けられるが、この様式は、親、すなわち上昇した世代の管構造に関して説明したのと同様である。矢印Ｉで示される入口21に入る流体流れは、4096個のほぼ水力学的に等しい通路につながり、4096個の出口70を通って装置を取り囲む体積へと排出される。
本発明の好適な実施形態の重要な特徴は、カスケードスケーリングに関して理論的に範囲に制限がないことである。この性質はカスケード構造の反復の性質によって与えられる。スケールを減小させた世代を必要なだけ装置に加える同様な方法で、装置の組立を継続することができる。下降する世代の構造が各々加えられるとともに、出口の密度は増加し、結果として混合および分配の効率が増す。
実際には、理想的な制限のないスケーリングには必然的な限界が課せられる。このような限界の一つは末端の出口（例えば70）によって空間が完全に塞がれるという、反復による接近に関するものである。管自体は利用できる空間の一部を占めているため、縮尺した管構造の世代が多く加えられ、出口の密度が増加するにつれて、下降した管のなかには必然的に大きいスケールの管と重なり合うものもでてくるだろう。この事情は一般に最も大きい管である、例えば図３の中央の管32の周囲で最初に起こる。このぎっしり詰まる性質が生じた場合、実際の便法として、カスケードの詰まった領域にある、位置的な理由から、小さいスケールの構造を受け入れることができない、大きいスケールの出口が選択的に遮断される。当該方法に従って小さい構造をカスケードに追加し続けることができ、最終的にはカスケードを収容する体積がカスケード中の最も小さいスケールの管構造の出口によって充填される。
本発明のスケーリング法に関する第２の限界が、実際に利用できる構成材料および構成技術によって課せられる。約２〜3mmより大きい管の内径を適用するには、パイプ、管状管、成形または加工管、のような標準的な構成材料が、従来の方法で本発明のカスケードアセンブリを構成するのに適している。しかしながら、本発明のカスケードアセンブリの形状は複雑であるため、非常に小さい管（例えば約２〜3mmより小さい管）を必要とする管構造を構成するには従来の構成技術はあまり適していないということが理解される。このような小さい装置を構成するのに、現在ではコンピュータ支援の構成技術が推奨されている。このような実際的な技術の一例として、ステレオリトグラフィがある。ステレオリトグラフィの方法では、一漕の液体プラスチック樹脂またはエポキシ樹脂をコンピュータ制御レーザー発生紫外線に暴露することにより、三次元コンピュータ支援設計（CAD）図面が３次元の物体に変換される。現時点においては、当該方法を用いて総体積の大きさが約500mm×500mm×500mmとなるように物体は構成される。このような装置によって製造され得る最小の特性寸法は一般にＸ軸、Ｙ軸では約0.2〜0.3mmであり、Ｚ軸では約0.1mmである（デカルト座標軸）。得られた三次元の物体は、部品から組み立てられたというよりもむしろ一漕の液体から生じたため、非常に複雑かつ精密かつ小さい三次元の形状を容易に実現することができる。ゆえに、このような構造方法は、非常に小さい構造が望ましい場合には本発明にとって有用である。
任意のスケールの管構造を構成するのに、異なる構成技術を適用してもよい。単一のカスケード装置が、異なるスケールを収容する種々の方法によって構成された管構造から成るものであってもよい。
本発明の特に好適な使用法は、カスケード構造を入力装置として、および排出すなわち回収装置としての両方に使用することである。空間を満たす一対のカスケードを、一つの体積中で互いに絡み合わせて配置することができる。
図５、６、および7bは、この目的を果たす３つの代替可能な形態を示す。図５は第２のカスケード構造が第１のカスケード構造と近接し、第１のカスケード構造とずらして配置される、開始材部分、一般に20および74、を示す。この方法では両方のカスケードアセンブリを同様な技術で構成することができる。第１のカスケードアセンブリは図３に示されるようなものであり、入口21は管36の中を通ってカスケード開始材20に通じる。流体流れは矢印Ｉで示されるように入口21へと入る。第２のカスケードは第１のカスケードに隣接して構成されるが、第２のカスケードが実質的に第１のカスケードを「抱き込む」ようにデカルト座標ｘ、ｙおよびｚの方向へ向かってずらして配置される。開始材74の開いた終端部76は入口として機能する。流体は管78を通って矢印Ｏで示した方向に流れ、出口80を通って出ていく。
図６は分配と回収を同時に提供する別のカスケード配置を示す。当該実施形態において、第１の管構造82は第２の管構造84の内部に同心に配置されている。第１のカスケードは、管82を有するが、図３に関して述べられたように流体が矢印Ｉで示した矢印の方向に向かって入口21から入るよう構成することができる。管82および管84を含めた管構造の間に存在する環状の空間86は第２の流体の移動通路としての役割を果たす。例えば流体は入口88の所から入り、環状の空間86を通って流れ、矢印Ｏで示した方向に向かって出口90を通って流出する。
図７は、管構造の管（一般に92）が仕切要素94によって分割されることによって複数の隔離された流れを可能にする溝96、97が形成された構造を示す。第１の流れが矢印Ｉの方向へ溝96を通って移動する一方で、第２の流れが矢印Ｏの方向へ溝97を通って移動する。
図５から7bの分配／回収の配置の分配用の出口と回収用の入口とは、隣接する空間を充填する体積内での十分な処理を確実にするため、互いにずらして配置されるべきであると一般に勧められる。イオン交換のようなユニット操作に必要とされる接触時間は非常に短い。したがって、近接して離れた出口を通るよう注入された流体では、各出口に割り当てられた少量の流体を効果的に処理するための滞留時間はほとんど必要ない。にもかかわらず、入口と出口の対の間の巡回路を短くしないことが通常は有効である。
複数の流路を収容する代替可能な実施形態が存在するため、様々な世代の管構造に対して様々な構成技術を使用することができる。管の寸法が約２〜3mmより大きい場合は隣接する配置か同心の配置が最も実用的であろう。一方、仕切りで分けた管の配置はステレオリトグラフィーのようなコンピュータ支援構成技術を用いた使用法に適切であろう。
分配器／回収装置として機能することができる他に、出口での分配／混合に先立って、互いに隔離された成分を保持すると同時に一つ以上の成分を分配するために多数の通路を代わりに使用することができることに留意すべきである。
本発明の装置は流体処理中に分配／混合を行うために使用されると想定されるので、従来の流体分配器の終端装置はこのような装置の出口／入口端部に通常組み込まれるものと期待される。例えば、ノズル、篩い分けパイプ孔、または逆止弁は従来の様式に基づいて、収着物質がカスケードに入るのを妨げ、最終的な分配パターンを提供し、または逆流を防ぐことができる。
例１
この例は本発明の構造により提供される乱流の減小効果と、その効果がカスケードの設計によってどのように操作され得るかとを示す。滑らかな壁をめぐらした管に対するレイノルズ数について記述した関係が、
Re＝VDρ／μ
で与えられる。ここで、
Re＝レイノルズ数、乱流の測定単位
Ｖ＝管を通る速度
Ｄ＝管の内径
ρ＝流体の密度
μ＝流体の粘度
である。
この特定の例のために、図８にて、内径D1および断面積A1を備えた開始流体管100が４つの小さい管102に分岐する、接続を断った管のカスケードについて考える。個々の管102は内径D2および断面積A2を有する。
４×A2＝A1
各管102は２本の管104に分岐する。管104の各々は内径D3および断面積A3を有する。
２×A3＝A2
８×A3＝A1
このような特定の条件下では、大きさに拘わらずすべての管においてカスケード中の流体の粘度は一定に保たれる。なぜならば、どのスケールにおいても断面積の総計は開始流体管の断面積に等しいからである。任意の流体に対して、ρおよびμも一定であり、ゆえに各管を通る際のレイノルズ数は、
Re1＝kD1
Re2＝kD2
Re3＝kD3
ここで、
ｋ＝Ｖρ／μ＝一定
である。
管の内径Ｄが分岐するごとに減小するため、レイノルズ数もまた分岐ごとに減小する。
Re3＜Re2＜Re1
それゆえ乱流はカスケードを通じて決定された方法で減小する。
例２
この例では、特定の条件下における特定の流体について考え、例１におけるカスケードのレイノルズ数の減小に対する絶対値を決定する。
流体…水
温度…40℃
ρ＝992.2kg/m3
μ＝0.656×10-3N×s/m2
Ｖ＝.07m/s
D1＝50mm
例１の管の配置について、管の断面積の関係は、
A2＝A1/4
A3＝A1/8
であるか、または管の内径として、
（D2^2）＝（D1^2）/4
（D3^2）＝（D1^2）/8
と表される。
ゆえに
D2＝25mm
D3＝17.68mm
である。
次にカスケード中のレイノルズ数の減小は、
Re1＝5294
Re2＝2647
Re3＝1872
である。
これらの例では２つの分岐点、つまり管構造は３世代、しか考えていないことに留意する。図４に示された装置は７つの分岐を有するが、より多くの分岐を有する実施形態も想定範囲内にある。かなりの乱流の減小を装置に設計できるということは明らかである。
当業者はこの例に従う計算方法を、特定の流体、管の内径、一節あたりの分岐の数、および管内の可変速度の例に容易に応用することができる。また、当業者は例を改変して目標の乱流の減小および目標の空間充填密度を任意の装置の構成に組み込むことができる。
本発明の乱れの起きない混合は、利点を得るために、従来の流体間乱流と共に使用することができる。例えば、本発明のカスケードアセンブリによって与えられた均質な、空間を満たす分配は、最終的な機械による乱流の起こる混合に先立つ、好都合な最初の段階を提供しうる。その上、装置は、乱流の起こる操作と同時に使用することができる。例えば、カスケードに流体を分配すると同時に装置を動かした状態で（乱流を起こして）配置することができる。および／または装置が作動する間、流体は装置の周りの空隙を通って絶え間なく流れ得る。
開示された方法を用いて、カスケードの出口から出る残りの乱流を利用できるよう装置を意図的に設計することができる。流体流れおよび装置の大きさは、残りの出口における乱流を利用して小さく均質な体積部分内での混合および分配をに遂行できるように計算され得る。この乱流の利用は、スケーリングの深さが実際の組み立て限界に達した場合や、例えば通気や洗浄型の使用法のために噴流が望ましい場合に都合がよい。
本発明は流体間の乱流の代わりになる混合方法に向けられたものである。結果として、この発明は混合、乱流の減小、および空間を充填する分配／回収のために使用され得る。本開示に述べた実施形態に関しては、実施形態によって示された広い発明の概念から逸脱することなく変更を行うことができる。したがって、本発明は開示された特定の実施形態には限定されず、添付の請求の範囲によって定義される発明の範囲内にある全ての修正を網羅することを意図する。
【図１】
0003653283.tif 000002
【図２】
0003653283.tif 000003
【図３】
0003653283.tif 000004
【図４】
0003653283.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003653283.tif 000007
【図７ａ】
0003653283.tif 000008
【図７ｂ】
0003653283.tif 000009
【図８】
0003653283.tif 000010