(57)【要約】ディフューザ（１０）が、１つまたは複数の注入材料をホスト材料に拡散する機能を提供する。ロータ（１２）およびステータ（３０）が互いに相対して回転する。注入材料はロータおよびステータにある開口部（２２）から引き込まれる。これら開口部（２２）はまた、ホスト材料内に乱流を引き起こし、ホスト材料がロータ（１２）とステータ（３０）間の領域を通って流れる。位置合わせされた開口部（２２）が互いに通過し合う際、振動が起こり、これにより、注入材料をホスト材料中へ高度に拡散するエネルギーが提供される。ロータおよびステータの開口部パターンは、単一の周波数または複数の周波数で動作するように設計することができる。動作周波数は、注入材料およびホスト材料間の結合に影響を及ぼし、また、複合分子構造の分解に効果的となることができる。
2005523147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の乱れを含む表面を有する第１の部材と、
第１の材料および第２の材料が流れることができるチャネルを形成するように前記第１の拡散部材に対して位置決めされた第２の部材と、
前記第１の材料内にキャビテーションを発生させて前記第２の材料を前記第１の材料中に拡散させるように、前記表面の乱れに対して前記第１の材料を前記チャネル内を移動させる手段と
を備えるディフューザ。
【請求項２】
前記第２の部材もまた、表面の乱れを含む表面を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項３】
前記表面の乱れの個々の表面の乱れはくぼみを含む、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項４】
前記くぼみはボーリング穴を含む、請求項３に記載のディフューザ。
【請求項５】
前記くぼみは溝を含む、請求項４に記載のディフューザ。
【請求項６】
前記表面の乱れは突起を含む、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項７】
前記突起はバンプを含む、請求項６に記載のディフューザ。
【請求項８】
前記突起はうねを含む、請求項７に記載のディフューザ。
【請求項９】
前記第１の部材および前記第２の部材の一方または双方は、前記第２の材料を前記チャネル内に通すように、内部に形成された１つまたは複数のオリフィスを有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１０】
前記オリフィスは、２つの異なる材料を前記チャネルに通すように前記第１の部材および前記第２の部材の双方に形成される、請求項９に記載のディフューザ。
【請求項１１】
前記第１の材料および前記第２の材料を前記チャネル内に引き込むポンプをさらに備える、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１２】
前記第１の材料および前記第２の材料を前記チャネル内を押し流すポンプをさらに備える、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１３】
前記第１の部材は円筒形状を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１４】
前記第１の部材はディスク形状を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１５】
前記第１の部材は円錐形状を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１６】
前記第１の部材は球形状を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１７】
前記第１の部材は半球形状を有する、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１８】
前記表面の乱れに対する前記第１の材料の移動は、１つまたは複数の個別の周波数で衝撃波を発生させる、請求項１に記載のディフューザ。
【請求項１９】
第１の材料と第２の材料を拡散する方法であって、
第１の部材と第２の部材の間に形成されたチャネルに前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップであって、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は前記チャネルに面した表面の乱れを有する、投入するステップと、
前記表面の乱れに対して前記第１の材料を移動させるステップであって、それにより、前記第１の材料および前記第２の材料を圧縮および減圧させ、前記第１の材料にキャビテーションを発生させる、移動させるステップと
を含む、第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２０】
前記投入するステップは、前記第１の部材と前記第２の部材の間に形成されたチャネル内に前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップを含み、前記第１の部材および前記第２の部材の双方は前記チャネルに面した表面の乱れを有する、請求項１９に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２１】
前記投入するステップは、前記第１の部材と前記第２の部材の間に形成されたチャネル内に前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップを含み、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、内部にくぼみが形成されている表面を有する、請求項１９に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２２】
前記投入するステップは、前記第１の部材と前記第２の部材の間に形成されたチャネル内に前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップを含み、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は内部にボーリング穴が形成されている表面を有する、請求項１９に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２３】
前記投入するステップは、前記第１の部材と前記第２の部材の間に形成されたチャネル内に前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップを含み、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は前記表面の乱れが１つのアレイに位置している表面を有して、既知の周波数で前記第１の材料を圧縮および減圧するようにする、請求項１９に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２４】
前記投入するステップは、前記第１の部材と前記第２の部材の間に形成されたチャネル内に前記第１の材料および前記第２の材料を投入するステップを含み、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は前記表面の乱れが複数のアレイに位置している表面を有して、それぞれの個別の周波数で前記第１の材料を圧縮および減圧するようにする、請求項１９に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２５】
第１の材料および第２の材料が流れることができる導管と、
表面の乱れを含む表面を有する、前記第１の材料および前記第２の材料と接触して回転する回転可能な部材と、
前記表面の乱れが前記第１の材料内にキャビテーションを発生させて前記第１の材料中に前記第２の材料を拡散するように、前記回転可能な部材を回転させる手段と
を備えるディフューザ。
【請求項２６】
前記回転部材と接触する前に前記第１の材料と前記第２の材料とを混合する装置をさらに備える、請求項２５に記載のディフューザ。
【請求項２７】
第１の材料と第２の材料を拡散する方法であって、
前記第１の材料および前記第２の材料を導管内に投入するステップと、
前記第１の材料および前記第２の材料に対して、表面の乱れが形成されている少なくとも１つの表面を有する回転部材を回転させるステップであって、それにより前記第１の材料および前記第２の材料を圧縮および減圧させ、前記第１の材料にキャビテーションを発生させる、回転させるステップと
を含む、第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項２８】
表面の乱れを含む表面を有する第１の部材と、
前記第１の部材の前記表面に対して位置決めされた第１の側面を有し、前記第１の部材との間にチャネルを形成する第２の部材であって、前記チャネル内を、第１の入口から前記チャネルに供給される第１の材料が実質的に中断することなく流れ、前記チャネル内へ、第２の入口から前記第２の部材の第２の側面に供給される第２の材料が導入される、第２の部材と、
前記チャネル内で前記第１の材料にキャビテーションを発生させて前記第１の材料中に前記第２の材料を拡散するように、前記表面の乱れに対して前記第１の材料を前記チャネル内を移動させる手段と
を備える、ディフューザ。
【請求項２９】
前記第２の部材もまた、表面の乱れを含む表面を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項３０】
前記表面の乱れの１つまたは複数はくぼみを含む、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項３１】
前記くぼみはボーリング穴を含む、請求項３０に記載のディフューザ。
【請求項３２】
前記くぼみは溝を含む、請求項３１に記載のディフューザ。
【請求項３３】
前記表面の乱れは突起を含む、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項３４】
前記突起はバンプを含む、請求項３３に記載のディフューザ。
【請求項３５】
前記突起はうねを含む、請求項３４に記載のディフューザ。
【請求項３６】
前記第１の部材および前記第２の部材の一方または双方は、前記第１の材料と混合する前に前記第２の材料を前記チャネルに通すように内部に１つまたは複数のオリフィスが形成されている、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項３７】
前記オリフィスは、２つの異なる材料を互いに混合する前に前記チャネルに通すように前記第１の部材および前記第２の部材の双方に形成される、請求項３６に記載のディフューザ。
【請求項３８】
前記第１の材料および前記第２の材料を前記チャネル内に引き込むポンプをさらに備える、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項３９】
前記第１の材料および前記第２の材料を前記チャネル内を押し流すポンプをさらに備える、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４０】
前記第１の部材は円筒形状を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４１】
前記第１の部材はディスク形状を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４２】
前記第１の部材は円錐形状を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４３】
前記第１の部材は球形状を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４４】
前記第１の部材は半球形状を有する、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４５】
前記表面の乱れに対する前記第１の材料の移動は、１つまたは複数の個別の周波数で衝撃波を発生させる、請求項２８に記載のディフューザ。
【請求項４６】
第１の材料と第２の材料を拡散する方法であって、
第１の部材と第２の部材の第１の側面との間に形成されたチャネルに前記第１の材料を投入するステップと、
前記第２の部材の第２の側面から前記第２の材料を前記チャネルに投入するステップであって、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、前記チャネルに面した表面の乱れを有する、第２の材料を投入するステップと、
前記チャネル内を流れる前記第１の材料を実質的に中断することなく前記表面の乱れに対して移動させるステップであって、それにより、前記第１の材料および前記第２の材料を圧縮および減圧させ、第１の材料のキャビテーションを発生させる、移動させるステップと
を含む、第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項４７】
前記第１の部材および前記第２の部材の双方は、前記チャネルに面した表面の乱れを有する、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項４８】
前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、内部にくぼみが形成されている表面を有する、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項４９】
前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、内部にボーリング穴が形成されている表面を有する、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項５０】
前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、既知の周波数で前記第１の材料を圧縮および減圧するように前記表面の乱れが１つのアレイに位置している表面を有する、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項５１】
前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方は、それぞれの個別の周波数で前記第１の材料を圧縮および減圧するように前記表面の乱れが複数のアレイに位置している表面を有する、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【請求項５２】
表面の乱れを含む表面を有する第１の部材と、
表面の乱れを含む第１の表面を有する第２の部材であって、第１の材料が実質的に中断することなく流れるチャネルを前記各部材の表面の間に形成するように前記第１の部材に対して位置決めされ、さらにオリフィスを有する第２の部材と、
前記第１の材料を前記チャネルに導入する第１の入口手段と、
第２の材料が前記オリフィスから前記チャネルに投入されて前記第１の材料と混合するように、前記第２の材料を前記第２の部材の第２の表面に導入する第２の入口手段と、
前記第１の材料が前記チャネル内にある間に前記第１の材料内にキャビテーションを発生させて、前記第１の材料中に前記第２の材料を拡散させるよう、前記第１の部材および前記第２の部材の一方を他方に対して移動させるモータと
を備えるディフューザ。
【請求項５３】
前記第１の材料は液体であり、前記第２の材料はガスである、請求項４６に記載の第１の材料と第２の材料を拡散する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、包括的にディフューザに関し、特にガスまたは液体を材料中に拡散または乳化する方法および装置に関する。
【０００２】
［関連技術の説明］
多くの用途では、第１の材料（ガスまたは液体）を第２の材料内に拡散または乳化することが必要である。乳化は拡散プロセスの小プロセス（subset）であり、例えば油脂を酢中に懸濁するように、第１の液体の小球（small globules）を第１の液体とは混ざらない第２の液体中に懸濁する。拡散プロセスの１つの重要な用途は廃水処理にある。多くの地方自治体が、有機物の生物学的分解を刺激するために各自の廃水を処理プロセスの一部として曝気する（aerate）。有機物の生物学的消化の割合は、有機物を消費する微生物の生命を維持するために酸素が必要であるため廃水中の酸素量に大きく左右される。さらに、酸素は、鉄、マグネシウム、および二酸化炭素等のいくつかの化合物を取り除くことができる。
【０００３】
水を酸素化させるいくつかの方法がある。第１に、タービン曝気システムにより、羽根の回転刃付近に空気を放出させ、その羽根により空気または酸素を水と混合する。第２に、水を空気中に噴霧してその酸素含有量を増加させることができる。第３に、AQUATEX製のシステムにより、空気または酸素を水中に噴射し、水／ガスを大規模な渦流に晒す。AQUATEX装置での試験では、理想条件下で２００％の溶存酸素（約２０ｐｐｍ（１００万分率））までの改善を示した。水中で天然に生じる酸素レベルは最大約１０ｐｐｍであり、これは、１００％の溶存酸素のレベルであると考えられる。したがってAQUATEX装置の溶存酸素は、水の酸素含有量の２倍である。酸素化レベルの増加は、１００％の溶存酸素レベルに逆戻りするほんの数分前まで続く。酸素化レベルがより高くなること、および酸素レベルの増加がより長く続くことは、廃水を処理する際に著しい利点を与える。重要なことに、有機消化（organic digestion）の効率が増し、生物学的改善（biological remediation）に必要な時間量が減ると、廃水処理設備の機能が向上する。
【０００４】
したがって、１つまたは複数の材料を別の材料中に高レベルで拡散することができる拡散機構が必要とされている。
【０００５】
［発明の簡潔な概要］
本発明では、ディフューザは、表面の乱れ（surface disturbances）を含む表面を有する第１の部材と、第１の材料および第２の材料が流れることができるチャネルを形成するように上記第１の拡散部材に対して位置決めされた第２の部材とを備える。第１の材料は、該第１の材料内にキャビテーションを発生させて第２の材料を第１の材料中に拡散させるように表面の乱れに対して引き出される。
【０００６】
本発明は、従来技術に比して著しい利点を提供する。第１に、拡散を分子レベルで行うようにすることができる装置により微細キャビテーション（micro cavitations）が発生し、ホスト材料により保持される注入材料の量が増え、拡散の持続性が長くなる。第２に、微細キャビテーションおよび衝撃波を比較的単純な機械装置により生成することができる。第３に、その機械装置により生成される衝撃波の周波数（単数または複数）は、複雑な構造を分解するかまたは構造を組み合わせるのを助けるための多くの用途に用いることができる。第４に、キャビテーションおよび衝撃波は、一定の拡散のために材料内に均一に生成することができる。
【０００７】
次に、本発明およびその利点をさらに完全に理解するために、添付図面とともに以下の説明を行う。
【０００８】
［発明の詳細な説明］
本発明は、図１〜図８（各種図面の同様の要素に同様の符号が用いられている）に関して最もよく理解される。
【０００９】
図１および図１ａはそれぞれ、１つまたは２つのガスまたは液体材料（以下「注入材料」とする）を別のガスまたは液体材料（以下「ホスト材料」とする）中に拡散または乳化することが可能な装置１０の第１の実施形態の部分的なブロック図および部分的な断面図である。ホスト材料は通常、拡散／乳化プロセスの際に、液状またはガス状であるように加熱または処理される固体材料とすることができる。
【００１０】
ロータ（回転子）１２は、両端が概ね閉じた中空円筒を含む。シャフト１４および入口１６がロータ１２の両端に接続されている。第１の注入材料は、入口１６を通ってロータ１２の内部に入ることができる。シャフト１４はモータ１８に接続され、このモータ１８は所望の速度でロータを回転させる。ロータ１２には、より詳細に図１ａに示した複数の開口部２２が貫設されている。好適な実施形態では、各開口部２２は、径の小さいオリフィス２４および径の大きいボーリング穴（borehole）からなる。ボーリング穴２６の側壁２８は直線（図４に示す）、傾斜（図１に示す）、または湾曲を含む種々の形状をとることができる。
【００１１】
ステータ（固定子）３０は、ロータ１２との間にチャネル３２（これを通ってホスト材料が流れることができる）の空間を残してロータ１２を囲んでいる。ステータ３０もまた、その円周に開口部２２が形成されている。ハウジング３４は、ステータ３０を囲んでおり、ステータ３０との間の領域３５に入口３６から第２の注入材料が通される。ホスト材料は入口３７を通ってチャネル３２に入る。シール３８が、シャフト１４とハウジング３４との間および入口１６とハウジング３４との間に形成される。出口４０によりホスト材料がチャネル３２からポンプ４２に通され、ホスト材料はポンプ出口４４を介して出る。ポンプは、モータ１８または補助源によって駆動されてもよい。
【００１２】
運転の際、拡散装置は入口３７からホスト材料を受け取る。好適な実施形態では、ポンプ４２は、ホスト材料を低圧でチャネル内に通すことができるようにポンプ吸引側にホスト材料を引き込む。第１および第２の注入材料は、開口部２２からホスト材料に導入される。注入材料は、ホスト材料が開口部２２を通ることを防止するようにそれらの供給源にて加圧されることができる。
【００１３】
図１に示す実施形態は、拡散材料用の入口が１６と３６に分かれている。このような構成により、２つの異なる注入材料がホスト材料に導入されることが可能となる。あるいは、単一の注入材料を双方の入口に導入することもできる。
【００１４】
試験時に、図１に示す実施形態はホスト材料への注入材料（複数可）の高レベルの拡散を示した。注入材料として酸素を、ホスト材料として水を用いた試験では、水中の溶存酸素は４００％のレベルとなり、酸素レベルの増加が数日間続いた。
【００１５】
拡散の効率および持続性が高いことの理由は、図２ａ〜図２ｃとともに説明した微細キャビテーションによるものであると考えられる。材料流が滑らかな表面の上を流れるときは常に、静止しているかまたは非常にゆっくりと移動する薄い境界層により、移動している流体と静止面の間の表面張力に起因して幾分層状の流れが確立される。しかしながら、開口部２２により層状流を乱し、材料を圧縮および減圧させることができる。減圧サイクルの際の圧力が十分に低い場合、空隙（キャビテーション気泡）が材料中に形成される。キャビテーション気泡は、低圧の局所領域が図２ａに示すようにホスト材料および注入材料を引き込むため、トルネードのような回転（旋回）流パターン４６を生成する。キャビテーション気泡が内破する（implode）と、高度に高い圧力が生じる。位置合わせされた２つの開口部は互いに通過し合う際、振動（succussion）（衝撃波）が起こり、著しいエネルギーが発生する。キャビテーションおよび振動に関連したエネルギーは、注入材料とホスト材料を高度に（おそらくは分子レベルで）混合する。
【００１６】
ロータ１２の接線速度、および一回転あたり互いに通過し合う開口部の数により、装置が運転される際の周波数が指定される。超音波周波数での運転が多くの用途において有益となることがわかっている。超音波の周波数領域で装置を運転することは、流体分子の結合角度を変える最大の振動衝撃エネルギーを与え、これにより、通常は保持されることができない追加の注入材料を搬送することが可能になると考えられる。ディフューザが運転される際の周波数は、拡散の程度に影響を及ぼし、ホスト材料中の注入材料のさらに長い持続性をもたらすと思われる。
【００１７】
用途によっては、例えば水質浄化の場合でのように、特定の周波数（単数または複数）がある種の複合分子を分解するよう望まれる場合がある。このような用途では、複数の振動周波数を用いて、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）等の複合構造をより小さなサブ構造に分解することができる。オゾンを注入材料の１つとして用いて、高効率でサブ構造を酸化させることができる。
【００１８】
装置１０に音化学が適用されることができる。一般に、音化学は超音波を用いて化学反応を補助する。通常、超音波は、圧電または他の電気音響装置を用いて生成される。電気音響トランスデューサに関連する問題は、音波が材料内に均一な音波を提供せず、むしろ所望のキャビテーションが装置自体の周りに局在化するという点である。本発明は、単純な機械装置を用いて材料内に超音波を生成することを可能にする。
【００１９】
図３は、複数の周波数を単一の回転速度で得ることができる、ロータ１２およびステータ３０の一実施形態の分解図を示している。図３では、開口部２２を有する３つの円形の（circular）開口部アレイ５０（それぞれアレイ５０ａ、５０ｂ、および５０ｃとして示す）がロータ１２の円周に配列している。各円環は、その円周に均一に離間した異なる数の開口部を有する。同様に、ステータ３０は、３つの円形の開口部アレイ５２（それぞれアレイ５２ａ、５２ｂ、および５２ｃとして示す）を有する。対応するアレイ間の一対の開口部のみが常に一致することを保証するために、ステータ３０の所与のアレイ５２の開口部２２の数は、ロータ１２の対応するアレイ５０の開口部２２の数よりも１つ多い（または少ない）ものとすることができる。よって、例えばアレイ５０ａがロータ１２の円周に均一に離間した２０個の開口部を有するならば、アレイ５２はステータ３０の円周に均一に離間した２１個の開口部を有することができる。
【００２０】
図３のロータ１２がステータ３０に対して回転するにつれて、各アレイは異なる周波数で振動を生じる。異なる周波数を適切に選択することにより、その和と差の干渉（混信）パターンが得られ、広範の周波数スペクトルが生成される。この周波数スペクトルは、ホスト液体中の未知の不純物を分解または酸化する必要がある多くの用途において有益となり得る。
【００２１】
図４は、ステータ３０の一実施形態の断面図を示す。直径がより小さいステータでは、ステータ３０の内側にボーリング穴２６を形成することが困難な場合がある。図４の実施形態は、内側スリーブ５４および外側スリーブ５６を用いている。ボーリング穴２６は、内側スリーブ５４の外側からドリル穿孔することができる。内側スリーブ５４に各ボーリング穴２６を設ける場合、対応する位置合わせされたオリフィス２４が外側スリーブ５６にドリル穿孔される。次に、内側スリーブ５４が外側スリーブ５６に配置されるとともに固定されて、ステータ３０を形成する。鋳造等、他の方法も、ステータ３０を形成するのに用いることができる。
【００２２】
図５ａ、図５ｂ、および図６は、ディフューザ１０の代替的な実施形態を示す。適宜、これらの図では図１での参照符号が繰り返し用いられている。
【００２３】
図５ａは、ロータ１２およびステータ３０がディスク形状をしている一実施形態の断面図を示す。図５ｂは、ディスク形状ロータ１２の上面図を示す。ステータ３０はロータ１２を挟んで上下に形成されている。ステータ１２およびロータ３０は双方とも図１とともに説明したタイプの複数の開口部を有し、ロータ１２がモータにより駆動される際に、互いに通過し合う。前述のように、各アレイ５２では、ステータ３０は、アレイ内の２つの開口部で同時に振動が起こるのを防止するためにロータ１２の対応するアレイ５０よりも開口部が１つ多いかまたは少ないものとすることができる。開口部２２は、図１に示すのと同じ形状を有することができる。中空シャフトは、第１の注入材料用にディスク形状ロータの内部への入口１６としての役割を果たす。ここでも同様に、ステータ３０とハウジング３４の間の領域３５は、第２の注入材料を受け取る。ホスト材料は、ロータ１２とステータ３０の間のチャネル３２内を流れる際、開口部２２での渦流の発生を被るため、ホスト材料との第１および第２の材料の拡散が引き起こされる。注入されたホスト材料は出口４０に向かう。
【００２４】
図５ｂは、ロータ１２の上面図を示す。見られるように、複数の開口部がロータ１２の開口部の同心アレイを形成している。各アレイは、所望の場合、異なる周波数で振動を発生させることができる。好適な実施形態では、開口部２２はロータ１２の上部および底部に形成される。対応する開口部は、ステータ３０の開口部の上下に形成される。
【００２５】
図６は、本発明の一実施形態の切り欠き図を示し、ここではロータ１２は円錐形状を有する。ステータ１２およびロータ３０は双方とも、図１とともに説明したタイプの複数の開口部を有し、これら開口部は、ロータ１２がモータにより駆動される際に互いに通過し合う。ロータ１２の円周の開口部のほかに、円錐形状の底部に開口部があってもよく、これが底部のステータ３０の部分の開口部と対応していてもよい。前述したように、各アレイについて、同じアレイの２つの開口部２２で同時に振動が生じるのを防止するために、ステータ３０はロータ１２よりも開口部が１つ多いかまたは少ないものとすることができる。中空シャフトは、第１の注入材料用にディスク形状ロータの内部への入口１６としての役割を果たす。ここでも同様に、ステータ３０とハウジング３４の間の領域３５が第２の注入材料を受け取る。ホスト材料はロータ１２とステータ３０の間を流れる際に開口部２２での渦流の発生を被り、そのため、ホスト材料での第１および第２の材料の拡散が生じる。注入されたホスト材料は出口４０に向かう。
【００２６】
図５ａ、図５ｂ、および図６の実施形態では、開口部２２のアレイは直径が増大している地点に形成することができ、複数の周波数を発生しやすくすることができる。半球形状および球形状を含めた任意の数の形状を用いてロータ１２およびステータ３０を実現することができることに留意されたい。
【００２７】
本明細書において説明されるディフューザは、多くの用途に用いることができる。最適な開口部サイズ（オリフィス２４およびボーリング穴２９の双方についての）、チャネル３２の幅、回転速度およびロータ／ステータの直径は装置の用途に応じて決まる。
【００２８】
上述したように、ディフューザ１０は、水中曝気（water aeration）に使用することができる。この実施形態では、空気または酸素は第１および第２の注入材料の双方として用いられる。空気／酸素は、図１とともに説明されている廃水（または曝気を必要とする他の水）中に拡散される。ディフューザは、約４００％の溶存酸素にまで酸素化を増大させることができ、パラメータがこの用途について最適になる際に濃度が高くなることが予測される。装置により５分間、約２５ガロンの公共用水（初期では８４．４％の溶存酸素の示度（読取り値）を示す）を周囲温度で循環させて、３９０％の溶存酸素含有量を達成した試験では、酸素濃度のレベルの上昇により、４時間の間、３００％を超える溶存酸素を維持し、１９時間以上の間、２００％を超える溶存酸素を維持した。３日後、溶存酸素含有量は１３４％を超えた状態を維持していた。これらの試験では１６ｋＨｚの周波数を用いた。開口部のサイズはオリフィス２４については０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）、ボーリング穴（ロータのボーリング穴２６には傾斜側面がある）については６．３５ｍｍ（０．２５インチ）であった。温度が低くなるほど、酸素化レベルと持続性が著しく増す可能性がある。
【００２９】
廃水処理の場合、または他の毒性物質のバイオレメディエーションの場合も同様に、酸素を一方の注入材料として用いることができ、オゾンを他方の注入材料として用いることができる。この場合、オゾンは、ＶＯＣおよび危険性微生物等のホスト材料中の危険性のある構造を酸化するのに用いられる。さらに、上述したように、周波数の組（ロータ１２およびステータ３０の開口部のアレイによって決定される）を用いて、多くの複合構造をより小さなサブ構造に分解する破壊的干渉パターンを提供することができる。あるいは、処理が単一の既知の危険性物質の酸化を対象としているのならば、上記構造を首尾よく分解することが知られている単一の周波数を用いることができるであろう。これとは逆に、建設的な干渉パターンをもたらす周波数の組を用いて、２つ以上の化合物を組み合わせてより複雑で高度な構造の物質にすることもできる。
【００３０】
飲料水を製造するために、オゾンを第１および第２の注入材料として用いて汚染物質を分解し酸化させることができる。
【００３１】
ディフューザ１０の運転を、公共廃水の水質改善（municipal wastewater remediation）等の大きな用途とともに説明してきたが、飲料水用浄水器、水泳プール、および水槽のような家庭用途にも用いることができる。
【００３２】
ディフューザは、ガスまたは液体を別の液体に拡散することでホスト材料の特性を変える他の用途にも用いることができる。このような用途の例として、乳脂の均質化または油脂の水素化が挙げられる。他の用途として、燃料およびガス／液体の混合の際に効率を良くして、その結果、燃料の省エネ性を高くすることが挙げられる。
【００３３】
図７ａおよび図７ｂは、ロータ１２およびステータ３０についての代替の実施形態を示す。図７ａでは、「ステータ」３０も回転し、この場合、振動周波数はロータ１２とステータ３０の相対回転速度に応じて決まる。図７ｂでは、ロータ１２またはステータ３０のいずれか一方が、構成要素から注入材料を通さず（図７ｂではロータのみが注入材料を通す）、注入材料を通さない構成要素は、乱流を発生させるために開口部２２がキャビティ５８で代替されている。キャビティ５８は、オリフィス２４を伴わないボーリング穴２６と同様の形状とすることができる。
【００３４】
図７ｃにおいて、注入材料がロータ１２またはステータ３０に通される際に介するオリフィス２４は、先の実施形態でのようにボーリング穴２６内にではなくボーリング穴２６の隣に位置する。ボーリング穴２６の主要な目的は、ロータ１２およびステータ３０の表面に沿ってホスト材料の層状流を乱すことであることに留意されたい。ホスト材料の圧縮および希薄化（減圧）は、装置が提供する高度の拡散を与える微細キャビテーションを発生させる。減圧の際、空隙（キャビテーション気泡）がホスト材料中に生成される。キャビテーション気泡は大きくなって、振動周波数により誘導された応力を被って接触する（あるいは内破する）。キャビテーション気泡の内破により、ホスト材料がチャネル３２を通る際に、ホスト材料中への注入材料の高度な拡散に寄与するエネルギーが生成される。したがって、注入材料およびホスト材料がキャビテーションおよびその結果としての衝撃波が生じる地点で混合される限り、上述した拡散が得られる。
【００３５】
図７ｄは、ホスト材料と１つまたは複数の注入材料の最初の混合がチャネル３２の外側で行われる一実施形態を示す。この実施形態では、Ｍａｚｚｉｅディフューザ６０（または他の装置）を用いて注入材料（複数可）とホスト材料の最初の混合を行う。この混合物は、ロータ１２とステータ３０の間のチャネル３２に投入され、ここで、上述した圧縮／希薄化サイクルにかけられて、それによって混合物中にキャビテーションが生じ、衝撃波周波数を受ける。
【００３６】
さらに、キャビテーションおよび衝撃波の発生は、上記実施形態に示したボーリング穴２６とは異なる構造を用いて起こすことができる。上述したように、ボーリング穴２６は、チャネル３２の側壁に沿ってホスト材料の層状流を妨げる表面の乱れとなる。図７ｅでは、バンプ６２等の突起を表面の乱れとしてボーリング穴６２の代わりにまたはボーリング穴２６とともに用いることができる。円形状以外の形状を用いることもできる。図７ｆに示すように、溝（またはうね（ridge））６４をロータ１２および／またはステータ３０に形成して、キャビテーションおよび衝撃波を発生させることもできる。
【００３７】
上述のように、全ての用途が、特定周波数での衝撃波の発生を必要とするというわけではなく、またはその発生から利益を得るというわけではない。したがって、ロータ１２またはステータ３０は、特定の周波数ではなく、ホワイトノイズを生成するように配列されたボーリング穴２６（または他の表面の乱れ）を有することができる。キャビテーションを生成するのに使用される構造は一様である必要はない、すなわち十分に粗い表面がロータ１２に形成されてもよく、またはステータ３０がキャビテーションを生じさせてもよい。さらに、図７ｇに示すように、ロータ１２の表面およびステータ３０の表面の双方がキャビテーションを発生させる必要がない場合もあるが、多くの場合、装置１０の運転は双方の表面が用いられる場合により効率的である。
【００３８】
図７ｈは、キャビテーションを発生させる移動が、ロータ１２およびステータ３０の相対移動によるのではなくホスト材料により（任意選択的に同伴された注入材料により）行われる一実施形態を示す。図７ｈの実施形態では、チャネル３２は、互いに対し静止的であるとともに一方または双方がチャネル３２に面した表面の乱れを有する２つの壁６６間に形成される。ホスト材料は、高速流を生じさせるポンプまたは他の装置を用いて高速でチャネル内を押し流される。１つまたは複数の注入材料が、オリフィス２４を介するかまたはホスト材料をチャネルの外側の注入材料と混合することによってチャネル内に投入される。壁６６に対するホスト材料の高速移動により、上述した微細キャビテーションおよび振動が生じる。
【００３９】
一例として、壁６６の１つまたは複数は細目（fine mesh）であり、その壁の細目を通って注入材料（複数可）が流出してチャネル３２内でホスト材料と混合する。細目での表面の乱れにより、ホスト材料が高速で細目の上を流れたときに微細キャビテーションおよび振動が生じる。振動周波数は、細目の分解度（resolution）およびホスト材料の速度に応じて決まる。ここでもまた、注入材料は微細キャビテーションの場所にて分子レベルでホスト材料中に拡散する。
【００４０】
図８ａおよび図８ｂは、回転部材７０が導管７２内に配置されモータ７３によって回転される別の実施形態を示す。ホスト材料と注入材料（複数可）は、Ｍａｚｚｉｅディフューザ７４または他の装置を用いて、回転部材７０よりも上流の導管７２内で混合される。回転部材は、例えばプロペラまたはオーガの形態とすることができる。回転部材７０の表面には、１つまたは複数の表面の乱れ７６があり、それによって、回転部材７０の回転により上述の微細キャビテーションが発生することで、材料間に高度の拡散が引き起こされる。プロペラ翼の形状またはその表面の乱れ７６のパターンにより、上述の目的のため、所望の周波数でキャビテーションおよび振動を生じさせることができる。さらに、回転装置の形状により、導管内に材料を引き込むことができる。
【００４１】
本発明は、従来技術に比して著しい利点を提供する。第１に、拡散を分子レベルで行うことを可能にする装置により微細キャビテーションが発生し、ホスト材料により保持される注入材料の量が増え、拡散の持続性が長くなる。第２に、微細キャビテーションおよび衝撃波を比較的単純な機械装置により生成することができる。第３に、その機械装置により生成される衝撃波の周波数（単数または複数）を、複合構造を分解するかまたは構造を組み合せるのを助けるための多くの用途に用いることができる。第４に、キャビテーションおよび衝撃波を、一定の拡散のために材料内に均一に生成することができる。
【００４２】
本発明の詳細な説明はいくつかの例示的な実施形態を対象としてきたが、これらの実施形態の各種変更および代替の実施形態が当業者には示唆されるであろう。本発明は、特許請求の範囲内にあるいずれもの変更または代替の実施形態も包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ディフューザの第１の実施形態の部分的なブロック図である。
【図１ａ】ディフューザの第１の実施形態の部分的な断面図である。
【図２ａ】ディフューザの内部での拡散プロセスを示す図である。
【図２ｂ】ディフューザの内部での拡散プロセスを示す図である。
【図２ｃ】ディフューザの内部での拡散プロセスを示す図である。
【図３】ディフューザのロータおよびステータの分解図である。
【図４】ステータの一実施形態である。
【図５ａ】本発明の第２の実施形態でのロータ・ステータ組立品の断面図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施形態でのロータの上面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の切り欠き図である。
【図７ａ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｂ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｃ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｄ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｅ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｆ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｇ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図７ｈ】拡散を生成する代替の実施形態を示す図である。
【図８ａ】本発明の別の代替的な実施形態を示す図である。
【図８ｂ】本発明の別の代替的な実施形態を示す図である。
【図１】
2005523147.tif 000003
【図１ａ】
2005523147.tif 000004
【図２ａ】
2005523147.tif 000005
【図２ｂ】
2005523147.tif 000006
【図２ｃ】
2005523147.tif 000007
【図３】
2005523147.tif 000008
【図４】
2005523147.tif 000009
【図５ａ】
2005523147.tif 000010
【図５ｂ】
2005523147.tif 000011
【図６】
2005523147.tif 000012
【図７ａ】
2005523147.tif 000013
【図７ｂ】
2005523147.tif 000014
【図７ｃ】
2005523147.tif 000015
【図７ｄ】
2005523147.tif 000016
【図７ｅ】
2005523147.tif 000017
【図７ｆ】
2005523147.tif 000018
【図７ｇ】
2005523147.tif 000019
【図７ｈ】
2005523147.tif 000020
【図８ａ】
2005523147.tif 000021
【図８ｂ】
2005523147.tif 000022
【国際調査報告】
2005523147.tif 000023
2005523147.tif 000024