(57)【要約】  一つ又はそれ以上の液体、ガス又は固体を混合及び／又は反応させるデバイスが提供される。デバイスは、周縁オリフィスの手段によって流体が流入しキャビテーション泡を形成する少なくとも一つのキャビティを有する。キャビティは、閉位置と開位置との間を交互に繰り返す。閉位置では、流体の圧力が上昇すると、キャビテーション泡が破壊される。開位置では、流体がキャビティから流出する。また、流体を混合及び／又は反応させる方法が提供される。また、この方法による混合生成物及び／又は反応生成物が提供される。
2007533453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合装置に用いる混合デバイスであって、
少なくとも一つのキャビティ、及び
少なくとも一つの周縁開路、
を含み、
前記周縁開路の一方の端部が前記キャビティに連通し、当該混合デバイスの内部の流路を形成し、流体がこの周縁開路を通じて前記キャビティへ流入し、流体中にキャビテーション泡が形成され、
前記キャビティが、開位置と閉位置との間を交互に繰り返し、
前記閉位置において、前記キャビティの圧力が上昇し、前記流体中のキャビテーション泡が破壊され、高せん断混合処理がなされ、
前記開位置において、流体の少なくとも一部が前記キャビティから流出し、前記キャビティの圧力が降下し、前記キャビティの前記流体にキャビテーション泡が付加的に形成される、
ところの混合デバイス。
【請求項２】
請求項１の混合デバイスであって、
前記キャビティが、流体が前記キャビティから流出する流出口を有する、
ところの混合デバイス。
【請求項３】
請求項２の混合デバイスであって、
前記閉位置において、前記流出口がブロック又は部分的にブロックされ、
前記開位置において、前記流出口がアンブロック又は部分的にアンブロックされる、
ところの混合デバイス。
【請求項４】
請求項１の混合デバイスであって、
前記キャビティに付加的に流入する流体が、前記キャビティ内に渦を形成する、
ところの混合デバイス。
【請求項５】
請求項１の混合デバイスであって、
当該混合デバイスに流体を流入させる入口をさらに含み、
前記入口が、前記周縁開路の他方の端部と連通し、流体が前記入口から前記キャビティへ流入する、
ところの混合デバイス。
【請求項６】
請求項１の混合デバイスであって、
当該混合デバイスの回転によって、流体に遠心力が作用し、前記流体が、前記周縁開路を通じて前記キャビティに流入する、
ところの混合デバイス。
【請求項７】
請求項６の混合デバイスであって、
当該混合デバイスに対面するように位置決めしたステーターに関する当該混合デバイスの回転により、前記キャビティの前記開位置と前記閉位置とが交互に繰り返す、
ところの混合デバイス。
【請求項８】
請求項７の混合デバイスであって、
前記キャビティの前記閉位置において、前記ステーターと当該混合デバイスとの間の空間が、キャビテーション泡を破壊させる圧力の上昇を与えるのに十分なものである、
ところの混合デバイス。
【請求項９】
請求項８の混合デバイスであって、
前記圧力の上昇が、前記流体の少なくとも飽和蒸気圧力以上である、
ところの混合デバイス。
【請求項１０】
請求項１の混合デバイスであって、
前記キャビティの前記開位置と前記閉位置との間の交互繰返しが可動面によってなされ、前記可動面が、前記キャビティから流出する流体を間欠的に抑制して前記圧力を上昇させる、
ところの混合デバイス。
【請求項１１】
請求項１０の混合デバイスであって、
前記可動面が回転可能なディスクによって与えられる、
ところの混合デバイス。
【請求項１２】
混合装置に用いるためのローターであって、
前記ローターが、回転軸を有し、この回転軸に関して回転し、
前記ローターが、
ベース部分、及び
前記ベース部分から突き出す周囲部分であって、前記ベース部分と前記周囲部分との間に、流体を流入する入口空間が形成される、周囲部分、
を含み、
前記周囲部分が、
複数のキャビティ、及び
複数の周縁オリフィス、
を含み、
前記オリフィスの各々が、前記入口空間と前記キャビティの各々との間を相互に接続し、流体を前記入口空間から前記キャビティの各々に流入させ、前記キャビティの各々に渦を形成し、前記流体中にキャビテーション泡を形成し、
前記キャビティの各々が、開位置と閉位置との間を交互に繰り返し、
前記閉位置において、前記キャビティの各々の圧力が上昇し、前記流体中の前記キャビテーション泡を破壊して、高せん断混合処理がなされ、
前記開位置において、前記流体が前記キャビティの各々から流出し、圧力が低下して、前記キャビティの各々にキャビテーション泡が付加的に形成される、
ところのローター。
【請求項１３】
請求項１２のローターであって、
当該ローターの回転によって、前記流体に遠心力が作用して、前記流体が、前記周縁開路の各々から前記キャビティの各々に流入する、
ところのローター。
【請求項１４】
請求項１２にローターであって、
当該ローターと対面するように位置決めしたステーターに関して当該ローターが回転すると、前記キャビティの各々が前記開位置と前記閉位置との間で交互に繰り返す、
ところのローター。
【請求項１５】
請求項１２のローターであって、
キャビテーション泡の形成のレート、キャビテーション泡の破壊のレート、又はキャビテーション泡の形成及び破壊のレートが、前記入口空間に流入する流体のレート、前記周縁オリフィスの各々の直径、前記キャビティの各々の体積、及び前記入口空間に隣接する前記周縁オリフィスの各々の第一の端部と前記回転軸との間の距離のうちの一つ又はそれ以上により制御される、
ところのローター。
【請求項１６】
請求項１５のローターであって、
当該ローターの回転により発生した流体の遠心力と、前記キャビティの各々に流入する流体の圧力とが、前記入口空間から遠方の前記周縁オリフィスの各々の第二の端部と前記回転軸との間の距離によって制御される、
ところのローター。
【請求項１７】
請求項１２のローターであって、
前記キャビティの各々の形状が、前記回転軸と実質的に平行で、前記回転軸から間隔をあけた軸を有する円筒形である、
ところのローター。
【請求項１８】
請求項１２のローターであって、
前記入口空間の形状が、前記回転軸と整列した軸を有する円筒形である、
ところのローター。
【請求項１９】
請求項１２のローターであって、
前記周縁オリフィスの各々が、前記回転軸と実質的に垂直な軸を有する、
ところのローター。
【請求項２０】
請求項１２のローターであって、
前記ベース部分が、前記入口空間を部分的に形成する内面を有し、
前記内面が、前記周縁オリフィスへの流体の流入を付勢する一つ又はそれ以上の羽根を含む、
ところのローター。
【請求項２１】
流体中に渦キャビテーションを生成するためのデバイスであって、
複数のキャビティを有するローターであって、前記キャビティの各々が、前記キャビティの各々に渦を形成し、前記流体中にキャビテーション泡を形成するように、前記キャビティに流体を流入させる周縁流路を有する、ところのローター、及び
前記ローターと対面するように位置決めされるステーターであって、前記ローターが回転すると、前記ステーターが、前記キャビティを間欠的に開閉する、ところのステーター、
を含み、
前記キャビティの各々が閉位置にあるとき、前記キャビティの流体の圧力が上昇し、前記キャビテーション泡が破壊され、
前記キャビティの各々が開位置にあるとき、前記流体の少なくとも一部が前記キャビティの各々から流出し、前記キャビティの圧力が降下し、キャビテーション泡が形成される、
ところのデバイス。
【請求項２２】
請求項２１のデバイスであって、
前記キャビティの各々が、流出口を有し、
前記キャビティの各々が前記開位置にあるとき、流体が前記流出口を通じて前記キャビティの各々の外部に流出する、
ところのデバイス。
【請求項２３】
請求項２１のデバイスであって、
前記キャビティの間欠的な開閉が、前記ローターの回転中に、前記流出口に対面するステーターの不連続な面の変化によりなされる、
ところのデバイス。
【請求項２４】
請求項２１のデバイスであって、
前記ローターが回転可能であり、前記ローターの回転レートによって、前記キャビティでのキャビテーション泡の形成及びキャビテーション泡の破壊のうちの一方又は両方が制御される、
ところのデバイス。
【請求項２５】
請求項２１のデバイスであって、
キャビテーション泡の形成のレート、キャビテーション泡の破壊のレート、又はキャビテーション泡の形成及び破壊のレートが、前記ローターに流入する流体のレート、前記周縁流路の直径、前記キャビティの体積及び前記ローターの直径のうちの一つ又はそれ以上のものにより制御される、
ところのデバイス。
【請求項２６】
請求項２１のデバイスであって、
前記ローターが、ハウジング内に配置される、
ところのデバイス。
【請求項２７】
請求項２６のデバイスであって、
前記ステーターが、前記ハウジング内に配置される、
ところのデバイス。
【請求項２８】
請求項２６のデバイスであって、
前記ステーターが前記ハウジングと一体である、
ところのデバイス。
【請求項２９】
混合デバイスであって、
当該混合デバイスに流体を流入させる入口を有するハウジング、
軸を有する入口空間を形成する突出し環状部分を有するローターであって、前記突出し環状部分が、前記入口空間から放射方向の外側に配列した複数のキャビティを有し、前記突出し環状部分が、複数の流路をさらに含み、前記流路の各々の一方の端部で前記キャビティの各々と連通し、前記流路の各々の他方の端部が前記入口に連通し、前記流路の各々を通じて、流体が前記キャビティの各々に流入し、キャビテーション泡が形成される、ところのローター、及び
前記ローターと対面するように位置決めされるステーターであって、前記ステーターが、前記キャビティを間欠的にブロックして前記キャビテーション泡を破壊し、前記キャビティをアンブロックして、流体の少なくとも一部を前記キャビティから流出させ、出口を通じて当該混合デバイスの外部に流出させる、ところのステーター、
を含む混合デバイス。
【請求項３０】
請求項２９の混合デバイスであって、
前記出口が、前記ハウジングに設けられる、
ところの混合デバイス。
【請求項３１】
請求項２９の混合デバイスであって、
前記キャビティの各々に流体が流入すると渦が形成される、
ところの混合デバイス。
【請求項３２】
流体中にキャビテーション泡を形成する方法であって、
少なくとも一つのキャビティ内に前記流体を流入させる工程であって、前記キャビティに前記流体の渦が発生し、前記流体中にキャビテーション泡が形成されるのに十分なだけ前記渦のコア領域の圧力が降下する、ところの工程、及び
前記キャビティを閉じる工程であって、前記キャビテーション泡が破壊されるのに十分なだけ前記キャビティの圧力が上昇する、ところの工程、
を含む方法。
【請求項３３】
請求項３２の方法であって、
前記キャビティを開ける工程であって、前記流体が前記キャビティから流出する、ところの工程、
をさらに含む方法。
【請求項３４】
請求項３２の方法であって、
少なくとも一つのキャビティ内に前記流体を流入させる前記工程が、前記流体中に渦を形成する、
ところの方法。
【請求項３５】
請求項３２の方法であって、
少なくとも一つのキャビティ内に前記流体を流入させる前記工程が、
ローターの入口に流体を流入させる工程、及び
前記ローターを回転させる工程であって、前記ローターの前記キャビティと連通するオリフィスを通じて前記流体が前記キャビティに流入する、ところの工程、
を含む、
ところの方法。
【請求項３６】
請求項３２の方法によって作られた生成物。
【請求項３７】
請求項３６の生成物であって、
当該生成物が、液体、ガス及び固体のうちの一つ又はそれ以上の混合物である、
ところの生成物。
【請求項３８】
請求項３６の生成物であって、
当該生成物が、液体、ガス及び固体のうちの一つ又はそれ以上の反応生成物である、
ところの生成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中のキャビテーション泡の破壊と形成を制御できるデバイス及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャビテーションは、液体中の空洞と泡の形成に関係するものである。泡の形成は、液体の局所的な圧力降下を生じさせ得るものである。例えば、液体の局所的な圧力がその沸点以下に下降すると、蒸気で満たされた空洞及び泡が形成される。その後圧力が上昇すると、泡で蒸気が凝集し、泡が破壊して、高圧衝撃波が発生し高温となる。物質の混合処理にキャビテーションが利用され、この処理は、高せん断混合処理と呼称されることがある。
【０００３】
液体中にキャビテーション泡を発生させることのできる方法が幾つかある。一つの方法は、液体中で、又は液体を通じて、プロペラのブレードを回転させるものである。ブレードの表面で十分な圧力降下が生じると、キャビテーション泡が発生する。他の方法は、オリフィス板のような絞り穴を通じて流体を移動させるものである。このオリフィスを通じて十分な圧力降下が生じると、キャビテーション泡が発生する。キャビテーション泡は、超音波を利用しても発生させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
キャビテーション泡の破壊により生じる衝撃波と高温は、様々な混合処理、乳化処理、均質化処理及び分散処理に利用され、また様々な化学的な反応を開始させたり、化学的な反応を容易にさせるためにも利用されている。しかし、液体中にキャビテーションを発生できるように設計したデバイス及び方法では、キャビテーション泡の形成のレート、キャビテーション泡の破壊のレート、及びキャビテーション泡が形成される場所のうちのいずれかを十分に制御できない。例えば、化学的な反応においてキャビテーションが制御できない場合、圧力及び／又は熱が、化学的な反応又は生成物にダメージを与えかねない。また、キャビテーションデバイスの壁に沿ったキャビテーション泡の形成がこの壁を短時間で侵食させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、流体中のキャビテーション泡の形成と破壊を制御できるデバイス及び方法を提供するものである。本発明のデバイス及び方法は、キャビティに流体を流入させてキャビテーション泡を形成するものである。このキャビティ内で渦も形成され得る。一般に、キャビティは、少なくとも二つの位置の間を交互に繰り返す。一方の位置（“閉位置”という）では、キャビティの圧力が上昇し、キャビティのキャビテーション泡が破壊される。他方の位置（“開位置”という）では、少なくとも幾らかの流体がキャビティから流出する。
【発明の効果】
【０００６】
流体のキャビテーション泡の破壊と形成を制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付図面に、以下で詳細に説明する本発明のデバイス及び方法の実施例を示す。図面は、好適実施例及び変形例を示すことを目的とするものであり、本発明をこれらに限定するものではない。
【０００８】
また、添付図面では、同様の部品又は構成成分を同じ符号で示す。また、一部の部品又は構成成分を利便的に強調して示す。
【０００９】
図１に、混合デバイス１００の一つの実施例の斜視図を示す。混合デバイス１００は、ハウジング１０１、及びハウジング１０１に形成したキャビティ１０２を含む。図示の実施例では、キャビティ１０２の形状は円筒形であるが、他の形状であってもよい。キャビティ１０２は、少なくとも一つの壁１０４により形成されるが、一つ以上の壁１０４であってもよい。一般に、キャビティの壁１０４は、キャビティ１０２の形状を定めるものである。
【００１０】
一つの実施例では、キャビティ１０２が混合デバイス１００の外部１０５と連通する少なくとも二つの開口を有する周縁（又はタンジェンシャル）開路（周縁オリフィス又は周縁流路ともいう）１０６を有する。周縁開路１０６は、図１に示すように、混合デバイス１００内に形成される。周縁開路は、第一の端部１０８、及び第二の端部１１０を有し、流体は、第一の端部１０８を通じ、次に第二の端部１１０を通じてキャビティ１０２内に流入する。
【００１１】
一般に、周縁開路１０６の第一の端部１０８から流体が流入し、周縁開路１０６の第二の端部１１０からキャビティ１０２内に流体が流入するように力が生じる。一つの実施例では、流体は、ポンプにより周縁開路１０６を通じてキャビティ１０２に送られる。例えば、機械的なポンプがこのような力を与え得る。他の実施例では、混合デバイス１００を移動させることにより、流体を周縁開路１０６内へ送り込むための力を発生させることができる。例えば、流体を周縁開路１０６内に送り込むことができる遠心力を生じさせるように混合デバイス１００を回転させることができる。
【００１２】
図１に示す例では、周縁開路１０６の形状は円筒形であるが、他の形状とすることも可能であることは明らかである。周縁開路１０６の幅（周縁開路１０６の形状が円筒形であるときは直径）は、周縁開路１０６を通過してキャビティ１０２内に流体が流入した後にキャビテーション泡を形成できるように設定される。一つの例では、周縁開路１０６の幅の寸法は、キャビテーション泡が形成されるように、周縁開路１０６を通じてキャビティ１０２内へ流体が流れている間、幾つかの地点において流体の圧力が降下するように設定される。周縁開路１０６がキャビティ１０２に入り込む地点又はその付近（例えば、周縁開路１０６の第二の端部１１０、又はその付近）で圧力が降下し得る。
【００１３】
キャビティ１０２は、第二の開口すなわち流出口１１２を通じて混合デバイス１００の外部１０５に連通する。一つの実施例では、流出口１１２は、周縁開路１０６を通じてキャビティ１０２内に流入した流体をキャビティ１０２から流出させる開口である。図１に示す実施例では、流出口１１２は、円筒形のキャビティ１０２の開口端部である。
【００１４】
図２は、図１の平行線ＡＡ及びＢＢで形成される平面に沿った混合デバイス１００の実施例の断面図である。キャビティ１０２は、混合デバイス１００のハウジング１０１内の円形の開口エリアである。円筒形のキャビティ１０２は、一つの壁１０４で形成されている。また、キャビティ１０２と混合デバイス１００の外部１０５との間を連通する周縁開路１０６の断面も図示する。混合デバイス１００の外部１０５から周縁開路１０６内に向いた矢印で示すように、流体は、周縁開路１０６の第一の端部１０８から流入し、周縁開路１０６の第二の端部１１０を通じ、キャビティ１０２内へ流入する。キャビテーション泡２００（一般に、周縁開路１０６を通じ、キャビティ１０２内に流入した流体によって形成される）を不規則な円形状でキャビティ１０２内に示す。キャビテーション泡は、また、キャビティ１０２内に、周縁開路１０６の圧力と比較してより低い圧力が存在すると形成され得る。
【００１５】
流体がキャビティ１０２に流入する位置及び方向は、それぞれ、一般に、周縁開路１０６がキャビティ１０２の壁１０４と交差する位置、及び周縁開路１０６がキャビティ１０４と交差する角度によって与えられるものである。周縁開路１０６とキャビティ１０２とが交差する位置及び角度は、キャビティ１０２内に流体の渦が形成されるように与えられ得る。この流体の渦は、一般に、キャビティ１０２内にキャビテーション泡２００を形成させるためのものであり得る。一つの実施例では、周縁開路１０６は、キャビテーション泡２００がキャビティ１０２の一つ又はそれ以上の壁１０４と全く接触しないか又は極少しだけしか接触しないように、キャビティ１０２に設けられる。キャビティの壁１０４へのキャビテーション泡２００のこのような非接触又は極微小接触は、キャビテーション泡２００によるキャビティ１０２の壁１０４の侵食を極小にする。
【００１６】
一つの実施例では、周縁開路１０６は、周縁開路１０６がキャビティ１０２と交差する地点においてキャビティ１０２の壁１０４と実質的に平行となるように設けられる。図示の矢印は、キャビティ１０２内の渦の方向を示すものである。キャビテーション泡２００は、キャビティ１０２の壁１０４から離れたところに位置するように図に示されている。他の実施例では、周縁開路１０６は、開口が径方向でなければ、キャビティの長手方向の軸線の近くに設けることができる。
【００１７】
流体がキャビティ１０２に流入すると、流体は流出口１１２を通じて流出する。混合デバイス１００では、キャビティ１０２の流出口１１２は、次に、（ａ）ブロック又は部分的にブロックされ、流出口１１２を通じる流体の流れが抑制又は部分的に抑制され（つまり、閉位置）、（ｂ）アンブロック（unblock）又は部分的にアンブロックされ、流出口１１２を通じキャビティ１０２の外部へ流体が流出又は部分的に流出される（つまり、開位置）。
【００１８】
キャビティ１０２の流出口１１２のブロックとアンブロックは様々な方法でなされ得る。例えば、面が、キャビティ１０２の流出口１１２に対面するように位置決めされ（つまり、閉位置）、流出口１１２をブロック又は部分的にブロックし得る。この面は、キャビティ１０２の流出口１１２から離れて位置決めされ（つまり、開位置）、流出口１１２をアンブロック又は部分的にアンブロックする。一つの例では、このような面は、“可動面”３００である。可動面３００が異なる実施例を有し得る。一つの実施例では、可動面３００は、可動部材又はディスクのそれ自体又は一部分であり得る。
【００１９】
他の実施例では、混合デバイス１００は、一方の位置で、キャビティ１０２の流出口１１２が面と対面するように位置決めされ、キャビティ１０２の閉位置が与えられ、他方の位置で、キャビティ１０２の流出口１１２が面から離れて位置決めされ、キャビティ１０２の開位置が与えられるように、移動が可能となっている。より詳しく後述するように、移動可能な混合デバイス１００の一つの実施例は、ローターである。また、より詳しく後述するように、キャビティ１０２の開位置及び閉位置を与える面は、ステーターによって与えられ得る。
【００２０】
図３Ａは、キャビティ１０２が開位置にあるように可動面３００を位置決めした図１の混合デバイス１００の斜視図である。この特定的な実施例では、可動面は平面のように図示されている。他の実施例では、可動面３００は、様々な他の形状のものであり得る。図示のように、可動面３００は、キャビティ１０２内の流体が流出口１１２を通じてキャビティ１０２の外部へ流出又は部分的に流出できるように流出口１１２から離れるように位置決めされる。
【００２１】
図３Ｂは、キャビティ１０２が閉位置にあるように可動面３００を位置決めした図１の混合デバイス１００の斜視図である。図示のように、可動面３００は、キャビティ１０２内の流体の流出口１１２を通じるキャビティ１０２の外部への流出が抑制又は部分的に抑制されるように流出口１１２と実質的に対面するように位置決めされる。
【００２２】
キャビティ１０２の開位置と閉位置を与えるキャビティ１０２の流出口の間欠的なブロックとアンブロックは、それぞれ、キャビテーション泡２００の形成と破壊の連続的なサイクルにより、混合デバイス１００に、高せん断流体混合処理を与える。一つの実施例では、キャビテーション泡２００は、キャビティ１０２が開位置にあるときに発生する。そして、閉位置において、キャビティ１０２の圧力が上昇し、キャビティ１０２内のキャビテーション泡２００が破壊される。一般に、キャビティ１０２の流出口１１２と、流出口１１２をブロックし且つキャビティ１０２の外部への流体の流出を抑制する面との間の空間は、キャビテーション泡２００を破壊させる圧力上昇を与えるのに十分なものである。一般に、このような空間は、流体の圧力を、少なくとも１．４ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）又は処理される流体の少なくとも飽和蒸気圧力以上に上昇させるものである。これに続くキャビティ１０２の流出口１１２のアンブロックは、流体の圧力を降下させ、キャビテーション泡２００を形成させるものである。このようなキャビテーション泡の形成と破壊の一つのサイクルを図４Ａ及び図４Ｂに示す。
【００２３】
図４Ａは、開位置におけるキャビティ１０２の一つの実施例の断面図である。キャビティ１０２に加えて、キャビティ１０２の壁１０４及び混合デバイス１００の周囲の固体部分１０１を図示する。周縁開路１０６の第二の端部１１０は、キャビティ１０２の壁１０４とほぼ平行にキャビティ１０２内に入り込むように図に示される。キャビテーション泡２００は、キャビティ１０２の壁１０４からほぼ離れたところに位置するように、キャビティ１０２内に示されている。キャビティ１０２内の渦の方向を矢印で示す。また、キャビティ１０２の流出口１１２と流出口１１２に対面して位置決めした面４００とを示す。面４００は、流出口１１２を通じてキャビティ１０２の外部へ流体を流出又は部分的に流出させるために設けた切欠又はリセス４０２を有する。図示の実施例では、リセス４０２は、図面に垂直な方向に流れる流体のチャネルを与えるものである。
【００２４】
図４Ｂは、閉位置におけるキャビティ１０２の一つの実施例の断面図である。図４Ｂは、図４Ａと同様に面４００がキャビティ１０２の流出口１１２に対面するように位置決めされ、図４Ａに類似するものであるが、リセス４０２を有していない点で図４Ａと異なる。図示のように位置決めされると、面４００は、流出口１１２を通じるキャビティ１０２の外部への流体の流れが抑制又は部分的に抑制される。キャビティ１０２の外部への流れの抑制又は部分的な抑制は、キャビティ１０２内の流体の圧力を上昇させる。この圧力の上昇は、キャビティ１０２内のキャビテーション泡２００の全て又は幾つかを破壊又は部分的に破壊させる。破壊されたキャビテーション泡４０４を図４Ｂに示す。
【００２５】
混合デバイス１００の作動中、流体が周縁開路１０６を通じてキャビティ１０２に流入するように流体に力（一般に、連続的な力）が作用している。一つの例では、このような力は、ポンプにより与えられる。この力により流体がキャビティ１０２内に向けられると、キャビティは、開位置と閉位置とを交互に繰り返す。この交互繰返しの際に、ｉ）キャビティ１０２にキャビテーション泡２００が形成され、ｉｉ）キャビティの流体の圧力を上昇させ、ｉｉｉ）キャビテーション泡２００が破壊され、ｉｖ）流体をキャビティ１０２の外部に流出させる、というサイクルが連続する。
【００２６】
上述のように、混合デバイス１００の連続サイクルによって生じる高せん断混合処理は、制御又は規制できるものである。一般に、混合処理の制御又は規制は、キャビテーション泡２００の形成とキャビテーション泡２００の破壊のいすれか一方又は両方を制御することによるものである。キャビテーション泡２００の形成及び／又は破壊は、多くのファクター（factor）により制御できるものである。例えば、キャビティ１０２に流入する流体のレート、周縁開路１０６の幅又は直径、キャビティ１０２の体積、キャビティ１０２の閉位置と開位置の時間、及び他の同様のファクターがある。
【００２７】
他の実施例では、一つ又はそれ以上の混合デバイスが単一の第一のデバイスの一部である。一つの実施例では、第一のデバイスは、回転軸に関して回転するローターである。一つの実施例では、ローターは、第二のデバイスに対面するように位置決めされる。一つの実施例では、第二のデバイスは、ステーターである。ローターがステーターに対面するように位置決めされると、キャビティの流出口が、ステーターの一部である一つ又はそれ以上の面にほぼ近接する。ローターがその回転軸に関して回転すると、流出口が、ステーターの一つ又はそれ以上の面に近接して、交互にブロック及びアンブロックされる。
【００２８】
他の実施例では、一つ又はそれ以上の混合デバイスを含む単一の第一のデバイスは回転しない。一つの実施例では、第一のデバイスは、第二のデバイスに対面するように位置決めされる。この実施例では、第二のデバイスが回転可能であり、第二のデバイスが回転すると、第二のデバイスが、第一のデバイスの一部であるキャビティの流出口を交互にブロック及びアンブロックする。
【００２９】
その他の実施例では、一つ又はそれ以上の混合デバイスを含む単一のデバイスと、これと対面するように位置決めした第二のデバイスとが両方とも回転可能である。両方のデバイスが回転すると、第一のデバイスのキャビティ１０２の流出口が交互にブロック及びアンブロックされ、キャビティの閉位置と開位置が与えられる。
【００３０】
図５は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるローター５００の一つの実施例の斜視図である。この実施例では、ローター５００は、ベース部分５０２を有する。ベース部分５０２は、図示のような円形のディスクの形状にあるか、又は他の形状であってもよい。周囲部分（又は、突出し環状部分）５０４が、ローター５００のベース部分５０２から突き出している。この周囲部分５０４は、リング状であり、周囲部分５０４の内部に内面５０６を有する。周囲部分５０４の内面５０６とベース部分５０２とによって形成されるエリアが入口空間５０８である。図示の実施例では、入口空間５０８の形状は、後述するように、ローターの回転軸と実質的に一直線上にある軸を有する円筒形である。一つの実施例では、流体は、まず、入口空間５０８を通じてローター５００に流入する。
【００３１】
シャフト５１０が、ベース部分５０２の背面に取り付けられている。シャフト５１０は、ローター５００の回転を容易にできるように設計されている。ローター５００は、その中心を通じ、シャフト５１０の長さ方向に沿った長手方向の直線によって定められる軸に関して回転できる。この軸がローター５００の回転軸である。
【００３２】
複数のキャビティ５１２が、ローター５００の周囲部分５０４に設けられている。図５に示す実施例では、キャビティ５１２の形状はほぼ円筒形であり、この円筒形のキャビティ１０２はローターの回転軸と平行又は実質的に平行な軸を有する。ここで、キャビティは他の形状であってもよいことは理解できることである。一つの実施例では、円筒形のキャビティ５１２の軸は、ローター５００の回転軸から間隔があけられている。
【００３３】
一つの実施例では、周囲部分５０４は、内面５０６と各々のキャビティ５１２との間に伸長する複数の周縁オリフィス５１４を含む。
【００３４】
図５に示す実施例では、各々の周縁オリフィス５１４は、ローター５００の周囲部分５０４の内面５０６から各々のキャビティ５１２に身長し、ローター５００の回転軸と実質的に垂直な軸を有する。各々の周縁オリフィス５１４は、入口空間５０８と各々のキャビティ５１２との間を連通する。
【００３５】
一つの実施例では、入口空間５０８でローター５００に流入する流体は、周縁オリフィス５１４へ向けられ、次にキャビティ５１２内に向けられる。一般に、周縁オリフィス５１４内に流体を流入させる力は、ローター５００の回転軸に関してローター５００を回転させることにより生じる遠心力である。
【００３６】
一つの実施例では、各々のキャビティ５１２は、キャビティ５１２から流体を流出できる開口５１６を含む。
【００３７】
図６は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるローター６００の他の実施例の斜視図である。図示の実施例では、ローター６００が回転すると、流体が入口空間５０８から周縁オリフィス５１４に向けられるように、一連の羽根６０２が、キャビティ５１２の底壁６０４に設けられている。
【００３８】
図７は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるステーター７００の一つの実施例の斜視図である。上述のように、ステーター７００は、ローターに対面するように位置決めしたときに各々のキャビティ５１２からそれらの流出口５１６を通じて流出する流体の流れをブロック又は抑制し、変形的に、流出口５１６を通じてキャビティ５１２の外部に流出する流体の流れをブロック又は抑制しない面を含む。図示の実施例では、ステーター７００は、不連続な表面を与える一連の交互に繰り返すタブ７０２とリセス７０４を有する。不連続な表面は、回転するローターに対面するように位置決めされると、上述のように、キャビティ５１２の流出口５１６のブロックとアンブロックとを交互に行う。このようなブロックとアンブロックを行うステーター７００の他の形状が、明らかに可能である。
【００３９】
図８及び図９は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイス８００の実施例の分解斜視図である。図示の実施例では、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイス８００は、ローター５００とステーター７００とを含むことができる。図８及び図８は、ステーター７００に関するローター５００の配列を示す。ローター５００とステーター７００が相互に近づくと、ステーター７００の整列リング８０２がローター５００の入口空間５０８内に係合し、ローター５００とステーター７００が相互に正確に位置される。ステーター７００のタブ７０２とリセス（又は、切欠）７０４は、ローター５００のキャビティ５１２の流出口５１６の近くにある。このように位置決めされると、ローター５００とステーター７００は、相互に“対面するように”位置決めされたといえる。
【００４０】
作動中、流体は、図９に示すように、入口８０４を通じてデバイス８００内に流入する。次に、流体は、ローター５００の入口空間５０８に流入する。一つの実施例では、ローター５００は、その回転軸に関して回転する。この回転により遠心力が流体に作用し、流体が、ローター５００の内面５０６に向けて移動し、ローター５００の周縁開路５１４内に流入する。次に、流体は、周縁開路５１４を通じてキャビティ５１２内に流入する。流体が周縁開路５１４を通じてキャビティ５１２内に流入すると、キャビテーション泡が流体中に形成される。ローター５００の回転により、キャビティ５１２は、タブ７０２と切欠７０４とからなるステーター７００の不連続な表面とキャビティ５１２の流出口５１６との整列に基づいて、開位置と閉位置との間を交互に繰り返す。キャビティ５１２の開位置と閉位置との間の交互繰返しについては、より詳しく後述する。
【００４１】
図１０Ａは、ステーター７００に関して開位置にあるローター５００の複数のキャビティ５１２の一つの実施例の断面図である。ローター５００の一部であるキャビティ５１２、周縁開路５１４及び流出口５１６を図示する。また、ステーター７００の一部であるタブ７０２及び切欠７０４を図示する。図４Ａに関連して説明したのと同様に、キャビテーション泡１００４をキャビティ５１２内に示し、周縁開路５１４を通じてキャビティ５１２内に流入した流体により生じたキャビテーション泡１００４は、キャビティ５１２の壁１００６から離れて位置する。キャビティ５１２内には、渦が形成され得る。キャビティ５１２内の渦の方向は、キャビティ５１２内に矢印で示す。また、キャビティ５１２の流出口５１６、及び流出口５１６に対面するように位置決めされた切欠７０４も示す。切欠７０４は流出口５１６と整列している。切欠７０４は、流出口５１６を通じキャビティ５１２の外部へ流体を流出又は部分的に流出させるものである。
【００４２】
図１０Ｂは、閉位置にあるローター５００の複数のキャビティ５１２の一つの実施例の断面図である。図１０Ｂでは、図１０Ａと比較して、ローター５００は、キャビティ５１２が閉位置にあるように、ステーター７００に関して回転されたところを示す。図示のように、タブ７０２は、流出口５１６に対面するように位置決めされる。タブ７０２は、流出口５１６と整列し、流出口５１６を通じキャビティ５１２の外部へ流れる流体を抑制又は部分的に抑制する。キャビティ５１２の外部へ流れる流体の抑制又は部分的な抑制は、キャビティ５１２内の流体の圧力を上昇させる。この圧力の上昇は、キャビティ５１２内のキャビテーション泡１００４の全部又は幾つかを破壊又は部分的に破壊する。破壊されたキャビテーション泡１００８を図Ｂに示している。
【００４３】
ステーター７００に関するローター５００の連続的な回転は、キャビテーション泡１００４を一定又はほぼ一定に発生させ、これらを破壊し、キャビティ５１２から流出させる。キャビテーション泡１００４の破壊のレートと同様に、キャビテーション泡１００４の形成のレートを制御できる。例えば、キャビテーションプロセスは、ローター５００の回転のレートを変えることにより制御できる。また、ローター５００の回転をより高速にすると、キャビテーション泡１００４の形成のレート、破壊のレート、又は形成及び破壊のレートが高くなり、圧力及び／又は温度がより高くなる。対照的に、ローター５００の回転をより低くすると、キャビテーション泡１００４の形成のレート、破壊のレート、又は形成及び破壊のレートが低くなり、圧力及び／又は温度がより低くなる。
【００４４】
一般に、ローター５００の回転レートは、発生する遠心力の大きさを制御でき、また流体が入口空間５０８に流入するレート、流体が周縁開路５１４に流入するレート、キャビティ５１２の圧力などを含む様々なファクターを制御し得るものである。
【００４５】
付加的に、キャビテーションプロセスは、ローター５００及び／又はステーター７００の寸法、ステーター７００に関するローター５００の位置などによって制御し得る。例えば、ステーター７００に関してローター５００の直径を変えると、キャビテーションの程度を変えることができる。他の例では、周縁開路５１４の第一の端部（内面５０６に隣接する）とローター５００の回転軸との間の距離を大きくすると、キャビテーションプロセスにより生成される圧力及び／又は温度を上昇させることができる。同様に、周縁開路５１４の第二の端部（周縁開路５１４に隣接する）とローター５００の回転軸との間の距離を大きくしても、キャビテーションプロセスにより生成される圧力及び／又は温度を上昇させることができる。
【００４６】
上記した様々なファクターを変化させてキャビテーションを制御できるので、特定の応用に対して利点的な圧力及び／又は温度でキャビテーションプロセスを行うことができる。
【００４７】
図１１は、混合デバイス１１００の一つの実施例の縦断面図である。図示の実施例では、混合デバイス１１００は、ローター５００、ステーター７００及びハウジング１１０２を含む。図示の実施例では、ステーター７００は、ステーター７００の取付穴１１１２を通じて位置されるスクリュー１１０４を使用してハウジング１１０２に取り付けられる。混合デバイス１１００のこの実施例では、ローター５００とステーター７００がハウジング１１００内に配置される。他の実施例では、ステーター７００は、ハウジングと一体であり得る。
【００４８】
図１１は、相互に対面するように位置決めしたローター５００とステーター７００を示す。図示の実施例では、ハウジング１１００は、シャフト挿通口１１０６を有し、このシャフト挿通口１１０６を通じて、ローター５００のシャフト５１０が挿入されている。これにより、混合デバイス１１００にローター５００を正確に位置決めできる。また、ハウジング１１００は、ベアリング１１０８を有し、シャフト５１０によるローター５００の回転を容易にしている。図示の例では、出口１１１０がハウジング１１０２に設けられている。この出口１１１０は、混合デバイス１１００から流体を流出させるためのものである。
【００４９】
作動中、流体は、ステーター７００の入口８０４を通じて混合デバイス１１００に流入する。このデバイスは、図９及び図１０に関連して説明したように機能する。図１０Ａに関連して説明したように、流体が流出口５１６を通じて流出すると、流体は出口１１１０を通じて混合デバイス１１００から流出する。
【００５０】
図１２は、図１１のＡＡ線に沿った混合デバイス１１００の横断面図である。図１２は、ハウジング１１００内に組み込んだローター５００を示すものである。出口１１１０が図示されている。また、入口空間５０８とキャビティ５１２との間を連通する周縁開路５１４も図示されている。
【００５１】
図１３は、図１１のＢＢ線に沿った混合デバイス１１００の横断面図である。ステーター７００の断面を示す。タブ７０２、切欠７０４、入口穴８０４及び整列リング８０２が図示されている。
【００５２】
変形例では、キャビティは、ステーター７００に設けられ、ローター５００は、キャビティの開閉を行うメカニズムとポンプ機能を有するものとなる。
【００５３】
他の実施例は、流体にキャビテーション泡を発生させる方法である。一つの実施例では、流体を一つ又はそれ以上のキャビティに流入して、キャビティ内にキャビテーション泡を形成する。キャビティへの流体の流入により、上述したように、キャビティ内に渦が形成される。一般に、渦は、キャビテーション泡の形成に寄与する。渦は、キャビテーション泡の形成に十分なだけの流体の圧力降下に寄与し得る。一般に、この圧力降下は、渦の中心又はその付近、又は渦の“コア領域”に存在し、その場所にキャビテーション泡を容易に形成できる。流体の圧力を上昇させて、一つ又はそれ以上のキャビティを閉じることによってキャビテーション泡を破壊する方法を付加的に与える。また、一つ又はそれ以上のキャビティから流体を流出できるように一つ又はそれ以上のキャビティを開ける方法も与えられ得る。
【００５４】
他の実施例は、上記の方法によって作られる生成物である。一般に、生成物は、一つ又はそれ以上の液体、ガス又は固体の混合物であり得る。また、生成物は、一つ又はそれ以上の液体、ガス又は固体の反応生成物であり得る。
【００５５】
以上において、好適な実施例及び選択的な変形例について説明した。変更物及び変形物が上記の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。上記した実施例は全てのこのような変形物及び変更物を含むように解釈され、これらは添付の特許請求の範囲の範囲内にあることを意図とする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、混合デバイスの一つの実施例の斜視図である。
【図２】図２は、図１の平行線ＡＡ及びＢＢで形成される平面に沿った断面図である。
【図３】図３Ａは、キャビティが開位置にあるように可動面を位置決めした図１の混合デバイスの斜視図であり、図３Ｂは、キャビティが閉位置にあるように可動面を位置決めした図１の混合デバイスの斜視図である。
【図４】図４Ａは、開位置におけるキャビティの一つの実施例の断面図であり、図４Ｂは、閉位置におけるキャビティの一つの実施例の断面図である。
【図５】図５は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるローターの一つの実施例の斜視図である。
【図６】図６は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるローターの他の実施例の斜視図である。
【図７】図７は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスに用いられるステーターの一つの実施例の斜視図である。
【図８】図８は、流体中に渦キャビテーションを発生させるためのデバイスの一つの実施例の一方向からの分解斜視図である。
【図９】図９は、流体中に渦キャビテーションを発生させるための図８のデバイスの一つの実施例の他方向からの分解斜視図である。
【図１０】図１０Ａは、開位置にある複数のキャビティの一つの実施例の断面図であり、図１０Ｂは、閉位置にある複数のキャビティの一つの実施例の断面図である。
【図１１】図１１は、混合デバイスの一つの実施例の縦断面図である。
【図１２】図１２は、図１１のＡＡ線に沿った横断面図である。
【図１３】図１３は、図１１のＢＢ線に沿った横断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００・・・混合デバイス
１０１・・・ハウジング
１０２・・・キャビティ
１０４・・・壁
１０５・・・外部
１０６・・・周縁開路
１０８・・・第一の端部
１１０・・・第二の端部
５００・・・ローター
５０２・・・ベース部分
５０４・・・周囲部分（又は、突出し環状部分）
５０６・・・内面
５０８・・・入口空間
５１０・・・シャフト
５１２・・・キャビティ
５１４・・・周縁オリフィス
５１６・・・流出口
７００・・・ステーター
７０２・・・タブ
７０４・・・リセス（又は切欠）
【図１】
2007533453.tif 000003
【図２】
2007533453.tif 000004
【図３】
2007533453.tif 000005
【図４】
2007533453.tif 000006
【図５】
2007533453.tif 000007
【図６】
2007533453.tif 000008
【図７】
2007533453.tif 000009
【図８】
2007533453.tif 000010
【図９】
2007533453.tif 000011
【図１０】
2007533453.tif 000012
【図１１】
2007533453.tif 000013
【図１２】
2007533453.tif 000014
【図１３】
2007533453.tif 000015
【国際調査報告】
2007533453.tif 000016