(57)【要約】流体の流れの内部に乱流渦（1、2）を発生させることにより、その流体の流れの内部の二つの異なる種類の粒子間の相互作用を促進させる。この乱流渦は、その渦の中に異なるサイズの粒子を取り込む程度を著しく異ならせて異なる軌道（3、4）を追従させることによって衝突および相互作用の可能性を大きくするようなサイズおよび／または強度を有するように設計されている。最適な衝突率は、一つのサイズの粒子に対しは１よりも非常に小さなストークス数（Ｓｔ）維持する一方で、その他のサイズの粒子に対しては１またはそれ以上のストークス数を維持するようになっているシステムにより達成される。本発明は、微粒子が凝集によってそれよりも大きな粒子に形成されてから取り除かれるようになっている空気汚染防止に適用される。【選択図】図１
2007522395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させて、該流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させるための渦発生装置の構造体を設計する方法であって、
（ｉ）前記二つのタイプの粒子の関連特性を特定するステップと、
（ｉｉ）一方のタイプの粒子が他方のタイプの粒子よりも著しく大きな滑り速度を有するようにするための最適な特性を有する渦サイズを決定するためにストークス数解析を実行するステップと、
（ｉｉｉ）前記ステップ（ｉｉ）において決定された前記最適な特性の渦サイズを有する渦を前記流体の流れの内部に発生させるための構造体を設計するステップと
を有している、方法。
【請求項２】
前記二つのタイプの粒子の関連特性が、前記粒子のサイズおよび密度を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記最適な特性の渦サイズを決定することが、繰り返し行程を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記最適な特性の渦サイズが、前記二つのタイプの粒子のストークス数の差を最大にするサイズである、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記構造体が、複数の羽根を備えるように設計されている、請求項１記載の方法。
【請求項８】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させることにより、該流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させる方法であって、
前記渦が、前記二つのタイプの粒子を前記渦の中に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴とする、方法。
【請求項９】
前記渦が、一方のタイプの粒子を実質的に完全に取り込むものの他方のタイプの粒子を実質的に取り込まないことによって前記二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大にするようなサイズおよび／または強度を有している、請求項８記載の方法。  
【請求項１０】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させるための手段を備えている、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させるための装置であって、
前記渦が、前記二つのタイプの粒子を前記渦の中に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有してなることを特徴とする、装置。
【請求項１３】
前記渦が、一方のタイプの粒子を実質的に完全に取り込むものの他方のタイプの粒子を実質的に取り込まないことにより前記二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大にするようなサイズおよび／または強度を有している、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法で設計される、流体の流れの内部に渦を発生させる構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に流体の流れの内部における異なるタイプの粒子間の相互作用を促進または増大させるための方法および装置に関するものである。さらに詳細には、本発明は、高い効率で粒子スケールの乱流を発生させて、流体の流れの内部における特定のタイプの粒子間に相互作用を引き起こさせるための渦発生装置の構造体を設計する方法を提供している。
【０００２】
特に本発明は、空気流中の汚染微粒子を凝集させてさらに大きな粒子を形成し、後工程において、これらの粒子を空気流からフィルタを用いてまたは他の方法を用いて除去することを容易にすることによって、空気汚染の防止に適用される。但し、本発明はその用途に限定されるものではない。
【背景技術】
【０００３】
ほとんどの産業におけるプロセスは大気中に有害な小粒子を排出している。これらの粒子は、有害な化合物からなる容易に吸い込まれるサブミクロンサイズの微粒子を含有している場合が多い。有害性と吸い込み易さとが組み合わさるため、世界中の政府が、直径１０ミクロン（ＰＭ１０）未満の粒子、とくに２．５ミクロン（ＰＭ２．５）未満の粒子の排出をさらに厳しく防止するための法律を成立させようとしている。
【０００４】
また、大気中の排出物質内の小粒子は、大気汚染に関する好ましくない視覚的影響を引き起こしている主要な原因でもある。不透明性は、排出物質のうちの微粒子部分によってほとんど決定されている。というのは、光の吸光係数が０．１ミクロン〜１ミクロンの光の波長の近傍においてピークに達するからである。
【０００５】
空気流から粉塵および他の汚染粒子を取り除くためにさまざまな方法が用いられてきた。これらの方法は空気流から大きな粒子を取り除くには適しているものの、小さな粒子、とくにＰＭ２．５の粒子をフィルタを用いて取り除くには通常あまり効果的ではない。
【０００６】
微粒子は、衝突／接着により凝集させて大きな粒子を形成することにより、後の行程において、これらの粒子をフィルタを用いて容易に除去することができる。本発明者らの特許出願番号第ＰＣＴ／ＮＺ００／００２２３および同ＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００５４６には、粒子を凝集させるために電圧のかけられた受動的デバイスが開示されている。この凝集効率は、粒子間の衝突および類似の相互作用の発生率または頻度に依存している。
【０００７】
また、ほとんどの汚染防止方法は、対象となる汚染物質を後工程において取り除くために役に立つ反応または相互作用を促進させるにあたって、特定の種類の個々の元素間の接触に依存している。たとえば、水銀の除去（吸着）に活性炭の如き吸着剤を汚染された空気流内に注入することができるし、または、二酸化イオウの除去（化学吸着）にカルシウムを注入することができる。
【０００８】
相互作用を発生させるためには、対象となる二つの物質を接触させなければならない。標準的な送気ダクト内のほとんどの産業汚染物質にとって、このことは、複数の理由により困難である。たとえば、反応／相互作用の時間枠が短く（０．５〜１秒の程度）、対象となる物質が（その他の流体に対して）非常に希薄な状態で排気ガス全体にわたって分散し、送気ダクトのスケールが汚染粒子のスケールに較べて大きくなっているからである。
【０００９】
通常、産業プロセスの流出口からの排出ガスは、大きなダクトへ供給され、そこから、排出ガスを可能な限り均一にかつ可能な限り少ない乱流／エネルギー損失で、下流側の収集デバイスへ搬送するようになっている。通常、途中で発生する乱流というのは、ガスが、回転している羽根のまわりから、ダクト内部の支持部材／補強材のまわりから、散乱スクリーンを通過してから、大きく脇へそれたもののことである。この乱流は、そのスケールがダクトの寸法程度であるが、障害、すなわち圧力降下を最小限に抑えて、所望の流れに修正できることが望ましい。
【００１０】
同様に、特定の用途、たとえば特定の汚染物質を吸収・吸着させるために混合デバイスが用いられる場合、通常これらの混合デバイスは、大規模な乱流領域（ダクトの幅または高さ程度）を発生させるとともに、ガスが通過しなければならない短く連続して設けられているカーテンのように配置されるデバイスである。
【００１１】
ほとんどの公知の混合デバイスの目的は、二つ以上の物質を均一に混合することにある。このようなデバイスは、その混合物の粒子間の相互作用をとくに促進するように設計されているものではない。粒子の搬送を含むほとんどの産業規模のデバイスでは、混合により発生する乱流は、粒子に較べてスケールが大きくなっている。このような状況下では、粒子は、衝突コースに進むというよりは同様なコース（平行なコース）を進む傾向がある。
【００１２】
また、流体の混合を促進するために渦発生装置が混合チャンバ内で用いられうることが知られている。しかしながら、このようなデバイスは、粒子を含んだ流れの内部の粒子間に衝突を引き起こすために用いられることは通常ない。
【００１３】
粒子が、煤塵（たとえば、フライアッシュ）、ガス（たとえば、二酸化イオウ）、ミスト（たとえば、ＮＯｘ）または元素（たとえば、水銀）であっても、工場の煙突内で収集が困難な汚染物質（ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｅｓ）は、直径がマイクロメータ程度（すなわち、１０-６メートル）のものである。サイズが小さいために、これらの汚染物質が流体の流れ全体に対して占める容積部分は非常に小さい。たとえば、均一に分散されている場合、直径が１マイクロメートルの粒子１００万個が体積１ｃｍ３のガスの中で占める割合は、０．００００５％未満である（粒子が球状であると仮定する）。直径が１０μｍであっても、この割合は０．０５％に増えるのみである。水銀の如き汚染物質が、存在する物質すべてのうちの数ｐｐｍしか占めていないと考えられるような場合、工場の排煙ガスにより搬送されている物質間には非常に大きな量の空間／距離が存在していることが明かである。粒子がすでに流れの内部で「良く混合されている」場合、たとえば（煙突内におけるように）ダクト全体にわたりほぼ無作為的に分散されている場合、いかなるスケールの乱流であっても粒子をそれ以上に混合することはできない。
【００１４】
流れている流体の内部に含まれる十分に小さな粒子は、その流体の流れの流線に沿って移動する。このことは、流体の粘性力が粒子の慣性力よりも大きい場合に起きる。公知になっているダクトのスケールでの乱流混合領域は、粒子よりも何桁も大きい。粒子に関していえば、これらの粒子は、無秩度状態ではなく、比較的なだらかに動いている。粒子が、ダクト内において、乱流を通過するまたは標準的な混合領域を通過する際に方向を何回も変更しうるが、各粒子は、そのサイズまたはスケールを考えれば、比較的に長距離移動している。したがって、工場の塵を含んでいる流れの典型的な状態下の流線にある粒子は、その隣の粒子とほぼ同一の流路を移動し、その結果、周りの粒子との相互作用がほとんどないものとなる。これらの粒子のスケールでは、乱流により引き起こされる相互作用がほとんどないため、公知の混合プロセスでは凝集の効率は悪い。
【００１５】
流体の流れの容積のうちの小さな割合を占める非常に小さな汚染物質の衝突率を最大限に大きくしようとするシステムは、汚染物質を、可及的頻繁に互いに異なる軌道に沿っておよび／または異なる速度で移動させなければならない。これに加えて、軌道および／または速度の差は、その粒子のスケールにおいて最も効果を奏するようなものでなければならない。残念なことには、現在の設計思想は、これらの基準を適切に充たすものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、流体の流れの内部の粒子の相互作用を向上させることにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、流体の流れの内部の特定のタイプの粒子間に相互作用を引き起こさせるために、非常に効率の高い方法で粒子のスケールの乱流を発生させる構造体をカスタム設計する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、流れている流体内において異なる質量および／または空気力学的物性を有する二つの粒子が、その流体の流れの内部における所定の乱流渦に対して異なった反応を示すということに着目したものである。さらに詳細にいえば、あるスケールを渦が有している場合、粒子が異なればその渦の中に取り込まれる程度も異なり、追従する軌道も異なることになる。したがって、これらの粒子間の衝突または相互作用の可能性が大きくなる。
【００１９】
乱流渦に捕獲され取り込まれた粒子であって、同様の質量および／または空気力学的物性を有している粒子は、ほぼ同一の流路を追従し、最終的に、相互に影響を及ぼすことはない。それよりも大きな質量および／または異なる空気力学的物性を有している粒子は、渦の中に取り込まれないかまたは取り込まれたとしても非常に少ししか取り込まれないため、渦の異なる軌道上を通過することになり、その同一の渦の中に取り込まれている多くの他の粒子によって影響を受けることになる。
【００２０】
流体の流れの内部の二つの異なる粒子間における衝突、たとえば大きな粒子による小さな粒子の凝集または吸着の可能性を向上させるために、異なる粒子が取り込まれる程度が著しく異なるようなスケールの渦を発生させるような構造体が設計される。
【００２１】
一つの包括的な実施形態では、本発明は、流体の流れの内部に渦を発生させることにより、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進する方法を提供し、当該渦が、これら二つのタイプの粒子をこの渦内に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴としている。
【００２２】
他の実施形態では、本発明は、流体の流れの内部に乱流渦を発生させるための手段を備えている、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進するための装置を提供し、当該渦が、これら二つのタイプの粒子をこの渦内に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴としている。
【００２３】
好ましくは、乱流渦は、一方のタイプの粒子が実質的に全面的に取り込まれ、他方のタイプの粒子が実質的に取り込まれないようなサイズおよび／または強度を有することにより、二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大限に大きくしている。
【００２４】
他の包括的な実施形態では、本発明は、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進するために、流体の流れの内部に乱流を発生させるための構造体をカスタム設計する方法を提供しており、この方法は、（ｉ）二つのタイプの粒子の関連特性を特定するステップと、（ｉｉ）一方のタイプの粒子が他方のタイプの粒子よりも著しく大きな滑り速度を有するようにするための最適な特性の渦サイズを決定するためにストークス数解析を実行するステップと、（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において決定された最適なサイズを有する渦を流体の流れの内部に発生させるための構造体を設計するステップと有している。
【００２５】
通常、上述の二つのタイプの粒子の関連特性には、粒子のサイズと密度とが含まれている。
【００２６】
上述の最適な特性の渦サイズの決定には、繰り返し行程が含まれうる。
【００２７】
ストークス数の標準式において粒子が球状であることが想定されているので、粒子の形状を考慮するための経験的「形状因子」が適用されうる。
【００２８】
与えられた二つのタイプの粒子、たとえば、収集粒子および被収集粒子については、本発明は、二つの粒子の滑り速度の差を最大限に大きくすることにより粒子間の相互作用の可能性を最大限に大きくするようなサイズおよびスケールを有する乱流渦を発生させる構造体をカスタム設計する方法を提供している。好ましくは、発生した乱流内の渦は、収集粒子の滑り速度が最大限に大きくなり、被収集粒子の滑り速度が最小限に小さくなるようなサイズである。
【００２９】
特に別記のない限り、本明細書の全体にわたって、用語「粒子」は、流れている流体の構成成分であって、同一の流体の流れの内部の他の粒子との衝突を引き起こすよう操作されうる構成成分であること意味する。この「粒子」は、固体（たとえば、フライアッシュ粒）であってもよいし、液体（たとえば、分散された水滴）であってもよいし、または、ガス（たとえば、ＳＯ３、ＨｇまたはＮＯｘの分子）であってもよい。本発明は、ガス−固体粒子間の相互作用、ガス−液体飛沫間の相互作用、液体−固体粒子間の相互作用、異なるサイズの飛沫間の相互作用、異なるサイズの粒子間の相互作用に対して適用することができる。異なるサイズの粒子は、ガス内または液体内に分散されていても良く、また、異なるサイズの飛沫はガス内に分散されていても良い。
【００３０】
用語「収集粒子」は、「被収集粒子」または「収集粒子」と衝突および／または相互作用させるために用いられる大きなおよび／または重い粒子を意味する。
【００３１】
用語「相互作用」は、粒子が、凝集を引き起こすように、衝突するか、接触するか、または、十分に近づくことを意味する。
【００３２】
加えて、用語「滑り（ｓｌｉｐ）」および「滑り速度（ｓｌｉｐ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）」は、粒子とその周りの流体との間の相対速度を表すために用いられている。したがって、粒子が乱流内に全面的に取り込まれた場合、その滑り速度は零である。粒子の流路がその周りの流体の流路からズレればズレるほど、その滑り速度は大きくなる。したがって、このような場合、小さな粒子が大きな粒子よりも流れに対してより密接に追従しているときは、これらの小さな粒子の滑り速度は、小さく、そのような粒子は、「滑り」が小さいといわれる。
【００３３】
典型的には、流体の流れは、ガス流または空気流であり、少なくとも一つのタイプの粒子は、マイクロンまたはサブマイクロンのサイズの汚染粒子である。しかしながら、本発明は、汚染防止用途に限定されるものではなく、流体の流れの内部における粒子間の相互作用をより高い効率で達成することが求められるような他の用途に対して幅広く適用される。
【００３４】
典型的には、乱流渦は、複数の異なるサイズおよび形状を有する渦巻き運動を含んでいる。
【００３５】
一つの実施形態では、微小な（汚染）粒子を取り込みそれらを乱流の影響下に晒すために、複数の小さな低強度の渦が用いられる。一または複数の種類の大きな「収集」粒子が、汚染粒子を取り除くために、ガス流中へ投入される。大きな収集粒子は、渦の中へ取り込まれないかまたは非常に少ない量しか取り込まれないため、微小な汚染粒子とは異なる軌道を追従することになり、この結果、汚染粒子とそれよりも大きな粒子との間の接触および／または相互作用の可能性が大きくなる。
【００３６】
汚染粒子がそれよりも大きな粒子と接触すると、それに付着するかまたはそれと反応する傾向がある。収集粒子は、第三の物質（たとえば、石膏）を形成するために、汚染粒子（たとえば、二酸化イオウ）と化学的に反応するカルシウムの如き化学物質であっても良い。これに代えて、収集粒子は、吸収または吸着することにより（炭素粒子が汚染物質である水銀粒子に吸着することにより）、汚染粒子を取り除いても良いし、または、収集粒子は、単に衝撃吸着（ｉｍｐａｃｔ  ａｄｈｅｓｉｏｎ）により汚染粒子を凝集して、微細な汚染粒子を取り除いても良い。大きくなった粒子または凝集された粒子は、後の行程において、公知の方法を用いてガス流から取り除くことが容易になる。
【００３７】
典型的には、ストークス数が１よりも非常に小さい場合、微小な汚染粒子が確実に取り込まれる。大きな収集粒子は、取り込まれないように、ストークス数が１よりも非常に大きいことが必要である。実際には、ガス流中に生成される渦または渦巻きは、公知になっている大きなスケールの乱流とは異なり、小さいものである。したがって、上述の構造体は、通常、複数の小さな渦または渦巻きを発生させる複数の構成要素を備えている。
【００３８】
複数の小さな渦または渦巻きは、対象となる（小さな）粒子を取り込み、それらを乱流に従属させる。大きな粒子は、これらの小さな渦きにより必ず取り込まれるわけではなく、取り込まれるとしてもその程度は非常に小さいものである。小さい粒子と大きい粒子との間の相対的な運動により、これらの粒子間の衝突の頻度が多くなり、大きな（収集）粒子による微小な（汚染）粒子がより効率的に取り除かれる。
【００３９】
複数の小さな渦巻きを用いることは、粒子がダクト内においてすでに十分に分散されているような流れの場合には、直感的に思いつくものではない。通常、ガス流内の圧力降下は可能な限り小さい方が望ましい。このため、典型的には、羽根は、可能な限りダクト内において粒子の分布を均一に保持するように用いられる。したがって、このような羽根は、通常、そのスケールが比較的大きくなっており、ダクトよりも僅かに小さいだけである。たとえば、粒子の全てが曲がり角から外に出て行き、曲がり角の下流に非均一な分布を形成することを回避するために、大きなスケールの「回転羽根」が曲がり角において用いられうる。
【００４０】
これに代えて、二つの異なる物質が容器またはダクトの内部においていて最初良く分散されていない場合に、均一な混合物を生成するために、公知の混合装置が用いられる。先の場合と同様に、大きなスケールの装置が通常用いられる。これらの装置は、ダクト内ですでに十分に分散されている物質間における衝突を促進する目的で用いられることは通常ない。一方、本発明は、流れ全体にわたりすでに十分に分散されている微小な（汚染）粒子と収集粒子との間の相互作用を増大するために、小さなスケールの渦を形成する複数の渦発生装置を用いている。
【００４１】
本発明がさらに十分に理解され、実施されるために、一例として、その実施形態を添付の図面を参照しながら記載する。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
好ましい実施形態では、本発明は、粒子の衝突または相互作用の確率を上昇させて粒子を凝集させるかまたは他の方法で相互に反応させることによってより容易に除去可能な粒子を形成するように、一般的には工業プロセスからの排出ガスの流れである、流れている流体により搬送されている非常に小さな汚染粒子とそれよりも大きな収集粒子との相対軌道を操作するために乱流渦が利用されている。異なる種類の粒子が著しく異なる滑り速度を有するために必要となるサイズおよびスケール有する乱流を発生させるような構造体が設計される。
【００４３】
前記乱流は、小さな汚染粒子のストークス数（Ｓｔ）が１よりも非常に小さく（Ｓｔ＜＜１）、それよりも大きな収集粒子のストークス数が１よりも非常に大きく（Ｓｔ＞＞１）あるべきである。
【００４４】
このストークス数（Ｓｔ）とは、粒子が乱流の流線を追従することができる理論的な尺度である。ストークス数は、流体の流れ時間に対する粒子の応答時間の比であると定義され、以下の式で表される：
Ｓｔ＝τｐ／τｆ＝ρｐＵｄｐ２／１８μＬ                                （１）  
上記の式において、τｐが粒子応答時間、τｆが流れの特性時間、ρｐが粒子密度、Ｕが流体速度、ｄｐが粒子直径、μが流体粘度、Ｌが渦寸法（ｅｄｄｙ  ｄｉｍｅｓｉｏｎ）を表している。典型的には、Ｓｔ＜＜１の場合、粒子はスケールＬの乱流渦に全面的に応答し、それに厳密に追従する。Ｓｔ＞＞１の場合、粒子は、上記のスケールの乱流運動に対して全く応答せず、粒子の軌道は、まったく影響を受けない。中間の範囲、Ｓｔ≒１の場合では、粒子は流体の運動に部分的に応答するものの粒子の軌道は流体の運動から著しく離れている。
【００４５】
たとえば工場の石炭燃料式ボイラーの煙突内の一般的な汚染物質に対してストークス解析を実行する場合、典型的なダクトのスケール（たとえば、４ｍ２）およびガス速度（８〜１６ｍ／ｓｅｃ）における乱流渦のときには、通常観察されるようなすべてのサイズの粒子が、乱流渦に対して、全面的に応答すること、すなわちＳｔ＜＜１であることが見出されている。ダクトの高さ／幅の混合器、回転羽根、補強部材などの寸法（たとえば、４００ｍｍ）に対応するスケールの乱流の場合であっても、１００μｍ未満の粒子のほとんどが乱流渦に対して全面的に応答する。乱流のスケールがこのサイズよりも著しく減少したときにやっと、粒子が、０．１μｍから１００μｍまでのサイズに対してＳｔ＜＜１からＳｔ＞＞１までの応答範囲を示す。このような状況下では、大きな粒子および小さな粒子の軌道が流体の流れの軌道からズレて行く程度が異なり、これにより、衝突の可能性が大きくなる。
【００４６】
以上のことから、乱流渦が適切なサイズに形成された場合、固定されたサイズの乱流渦との相互作用の違い、すなわち通過流路の違いに基づいて、同一の流体の流れの内部で異なるサイズの構成物質の衝突回数を増やすことが可能となることが明かである。さらに、乱流渦に対する慣性の違い、すなわち乱流渦に対する応答の違い基づいて、特定の構成物質間の相互作用を最大にするよう乱流渦の主要サイズを調整することができる。渦サイズの所望の組み合わせを提供するための適切な構造体を設計することができる。
【００４７】
以上の乱流渦を形成するために、渦発生装置を用いることができる。渦発生装置は、当該技術分野において一般的に知られているので、本明細書ではその詳細を記載しない。通常よく用いられる渦発生装置は羽根である。流体の流れにおいて複数の渦を発生させるために、複数の羽根を備えた構造体を用いても良い。
【００４８】
図１および図２に示されている一つの実施形態では、渦を発生させるために、アレイ状に配列されているとともに山形断面を有する一連の羽根10が用いられている。図１に示されている羽根10は、その長手方向に沿って間隔をあけて設けられている突出部または「歯部」12を有するＺ字形状の細長い一片の金属を備えている。この歯部12は、細長い一片の金属10の縁部に沿って間隔をあけて設けられている切欠部11によって形成されている。歯部12は、歯の奥行きＴｄとピッチＴｐと有している。
【００４９】
図２の平面図に示されているように、一連の羽根10は、アレイ状に配列され、複数の並列な列を備えており、これらの並列な列は、流れの方向に沿って延び、それぞれの列は、流体の流れ方向に対して横方向に向けられているとともに間隔をあけ設けられている複数の羽根を備えている。（通常、これらの複数列の羽根は、分かり易いように省略している平板状のフレームに搭載されている）。羽根10の本体部は、Ｖｌだけ流体の流れる方向に向かって延び、距離Ｖｓだけ間隔があけられて設けられている。また、羽根10の本体部は、流れの方向対して横方向にＶｗの幅を有している。
【００５０】
乱流渦は、羽根10の折曲部および突出部により形成される。この設計により形成される渦の主要サイズは、渦発生装置の有効な寸法を近似したものであり、羽根の幅Ｖｗ、羽根の長さＶｌ、歯の奥行きＴｄおよび歯のピッチＴｐを含んでいる。連続する羽根Ｖｓ間の離隔距離は、渦が羽根と羽根の領域で十分に形成されるように選択される。
【００５１】
形成される渦のサイズの組み合わせは、寸法の組み合わせによって決まる。最適な範囲のサイズの渦が選択され、これを降下圧力の如き他の制約下で達成するように、羽根の設計が最適化される。
【００５２】
例示されている羽根10には歯部を用いることが示され、この羽根が流体の流れの方向に対してある角度を形成するように設けられているが、他の変形例も可能である。というのは、渦が、流体の流れの流路内に設けられるいかなる平板状、円筒状または他の形状を有する本体によっても形成され、この形成された渦が障害物である羽根のサイズとほぼ同一のサイズであるからである。
【００５３】
たとえば、図３に示されているように、アレイ状に、流体の流れる方向に対して横方向に配置された一連の平坦な細長い板が用いられても良い。これに代えて、図４に示されているような波形の縁部を備えているアレイ状に設けられた一連の平坦な細長い板または図５に示されているようなアレイ状に配置された一連の円形状の柱が用いられても良い。また、間隔をあけ、流れに対して横方向に向けて設けられた横１列のワイヤまたは棒部材が用いられても良い。
【００５４】
以上のアレイ状に配列された一連の羽根によって発生された複数の小スケールの渦巻または渦は、流路全体が乱流領域に含まれることが望ましいため、ダクト全体に到達するようになっている。しかしながら、これらの羽根を、対象とする空気流の流れるダクト内に設けても良いものの、いうまでもなく、本発明は、羽根を、ダクトまたは他の導管の内に設けることを必要としていない。
【００５５】
したがって、一つの実施形態では、流体の流れの内部で所望のサイズおよびスケールの乱流を発生させる構造体を以下のように設計しうる。
１．各サイズの粒子の相対的な量を含む、凝集する粒子（収集粒子および被収集粒子）の分布および密度を決定する。
２．「収集粒子」（すなわち、滑りの最も大きい粒子）として作用する粒子のサイズ、密度および形状の分布ならびに数密度を特定する。これらの粒子は、システム（たとえば、細かく砕かれた燃料灰流中の粒子のうちの上側部分）にもともと存在していても良いし、投入されても良い（たとえば、水銀収集のための吸着粒子）。
【００５６】
一部のシステムでは、収集粒子および被収集粒子が著しく異なる密度および形状を有しうる場合がある。収集粒子および被収集粒子の滑り特性の差は、サイズの差に加えて、密度または形状の差により達成されても良い。
【００５７】
また、収集粒子が、収集粒子と被収集粒子との間に相当な数の衝突を発生させることができる十分な数の収集粒子が存在することを担保するように選択される。
３．収集粒子が被収集粒子よりも著しく大きな滑り速度を有するようにするための最適かつ特徴的な渦サイズを決定するために、（上の）２で規定したシステムに対して、式（１）を用いてストークス数解析を実行する。このためには、収集粒子のストークス数が被収集粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きいことが必要となる。ある好ましい方法では、球状の収集粒子のストークス数は、１０-２＜Ｓｔ＜１０２の範囲である。
【００５８】
ここで重要なことは、一旦重要な粒子サイズが決定されれば、ストークス数解析を実行することができるということである。これは、Ｓｔを（滑りの大きい粒子に対してＳｔ＞＞１として）設定することができる上に、ストークス式中のＬ（渦サイズ）以外のすべての他の変数が一定である（または一定と仮定することができる）からである。
【００５９】
最適かつ特徴的な渦サイズ（Ｌ）を決定するために反復法を用いても良い。詳細にいえば、（上の）ステップ３において決定された渦サイズ（Ｌ）を用いて、所望の「被収集粒子」のサイズに対するＳｔをチェックする（滑りの小さな粒子の場合、Ｓｔ＜＜１）。（上の）ステップ３において決定された渦サイズ（Ｌ）とＳｔ＝１とを用いて、中間粒子の応答をチェックする。所望の粒子応答を得るために、渦サイズ（Ｌ）を調整しながら、これらのステップを繰り返す。
【００６０】
最適な渦サイズは、通常小さく、たとえば４００ｍｍよりもかなり小さく、典型的には１０ｍｍ程度であるが、粒子物質の種類および関連する特性により異なる。
４．（上の）ステップ３で決定された渦サイズ（Ｌ）の渦を発生させるために、渦発生装置の羽根の主要寸法Ｗにとって必要なサイズを決定する。一つの方法では、ＷはＬと等しいと想定されうる。他の好ましい方法では、羽根のサイズは、ストークス数相似（Ｓｔｏｋｅｓ  ｎｕｍｂｅｒ  ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ）により求められうる。これには、一組の異なる条件下において、すなわち、異なる粒子サイズ、密度、形状および流速の分布および／または動的粘性において良好に作用することが見出されている収集粒子および被収集粒子のストークス数に可能な限りきっちりと一致させるように、羽根のサイズを拡大縮小することが必要となる。
５．上の４で決定されたサイズの渦を発生させるために適切な形状および寸法を有する羽根を設計する。好ましい形状の羽根が図１に示されている。必要に応じて、非球状粒子の形状を考慮するために、経験的な「形状因子」（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  “ｓｈａｐｅ  ｆａｃｔｏｒ”）を適用しても良い。
【００６１】
システムの物性、製造の寸法要求および装置の加工制約により決まる羽根の重要な寸法の各々に対してあるサイズ範囲が存在しうる。しかしながら、一般的には、変数Ｖｗ、Ｖｌ、Ｖｓ、Ｔｐ、Ｔｄにより、発生する乱流渦のサイズ、形状、強度および頻度が決定され、次いで、これらにより、羽根の裏側の乱流内で粒子がズレて衝突する程度が制御される。設計の重要な基準は、羽根のサイズと間隙である。
【００６２】
以上に加えて、本発明の目的は、凝集、吸着・吸収、触媒（ｃａｔａｌｉｓａｔｉｏｎ）、凝縮などの有用な目的のために、分散されている粒子を衝突させることにある。したがって、ほぼ全ての粒子が、装置内を移動する間に、少なくとも一回の（そして、好ましくは複数回の）衝突を経験することができる十分な相互作用を粒子間に発生させる必要がある。実際問題として、このことは、流れの方向および流れに対して横方向に複数の羽根を必要とする。流れ方向に対して横方向に設けられる複数の羽根によって、装置を貫通する流路に適切なサイズに形成された渦が存在することが担保され、流れ方向に設けられた複数の羽根によって、上記の流れが、有益な数の衝突が粒子間に発生することができる十分な時間にわたって装置内に保持されることが担保される。
【００６３】
好ましい実施形態では、装置は、そこを流れている流体が少なくとも０．１秒間その装置よって取り扱われることができるように十分に流れ方向に向かって長くなっている。このことは、典型的な工業上の流速である（たとえば）１０ｍ／ｓｅｃの場合には、装置が流れ方向に向かって少なくとも１ｍの長さを有していることを必要とする。
【００６４】
図６に示されているように、流れの方向に連続して設けられる羽根は、ある羽根により発生する渦が下流側の直ぐ隣の羽根の渦発生作用により強化されるように、離されているべきである。この図６では、ある羽根により発生させられた渦１が、次に続く羽根により２の位置で強化されていることが示されている。さらに図６には、滑りの小さな粒子3および滑りの大きな粒子4の異なる軌道が示されている。好ましい実施形態では、羽根は、羽根幅Ｖｗと等しい距離Ｖｓだけ離されている。
【００６５】
羽根の配列は、重要ではなく、水平方向であっても良いし、垂直方向であっても良いし、これらの二つの方向の間の任意の角度であっても良い。
【００６６】
本発明は、混合装置を個々の用途に適合するように設計することができるという利点がある。さらに詳細にいえば、所望のスケールの乱流を達成することができ、その結果、小さな汚染粒子は、乱流の渦または渦巻の中に取り込まれるものの、大きな収集粒子は、ほんの少しまたは無視できる程度しか取り込まれない。この結果により生じた小さな汚染粒子および大きな収集粒子の滑り速度の差および機能の差により、これらの二つのタイプの粒子間にさらなる衝突が生じることになる。したがって、粒子間に、より大きな相互作用（たとえば、衝突付着、吸収、吸着または化学反応）が働き、汚染粒子の除去効率が向上される。
【００６７】
理論的には、本発明は、対象となる二つの粒子物質を取り込む程度が著しく異なるようなスケールの乱流を発生させることを含んでいるとともに、いかなる特定の装置及びプロセスに限定されない。最適な衝突率は、一方の物質に対してＳｔ＜＜１の関係を維持するとともに他方の物質に対してＳｔ≧１の関係を維持するシステムにより得られる。乱流は、いかなる適切な方法で発生されても良く、公知となっている渦発生装置に限定されるものではない。
【００６８】
本発明は、とくに汚染防止用途に関連付けて記載されているが、他の用途のための効率の良い混合装置の設計のために用いられても良い。
【００６９】
さらに、本発明は、とくにガス流内の粒子の混合に関連付けて記載されているが、液体のような他の流体の流れの内部の混合に適用されても良い。
【００７０】
羽根は、直線型のアレイ状に配置する必要がない。図７に示したように、羽根を、流れ方向を横切りかつ連続した列として取り付け、各列内の羽根を、その隣接する列内の羽根に対して、流体の流れ方向に対して横方向にずらしても良い。
【００７１】
本発明のさらなる実施形態では、二つまたはそれ以上の乱流発生装置が流れ方向に沿って順に離隔されて設けられ、次第に大きな乱流渦を発生することにより、次第に大きな粒子の影響を促進させるようになっている。このように構成すると、流れの方向に沿ってサイズが次第に大きくなる凝集体が提供される。この実施形態は、ミスト除去装置および微粒子凝集装置に加えて、プロセスの効率を上げるために次第に大きな構成成分を標的にしていくような化学相互作用プロセスまたは触媒プロセスに対して適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一つの実施形態にかかる羽根を示す斜視図である。
【図２】図１の羽根の配列を示す平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す部分斜視図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す部分斜視図である。
【図６】図２の配列により形成される乱流渦を示す図である。
【図７】図２のアレイ状に配置された羽根の修正バージョンを示す平面図である。
【図１】
2007522395.tif 000003
【図２】
2007522395.tif 000004
【図３】
2007522395.tif 000005
【図４】
2007522395.tif 000006
【図５】
2007522395.tif 000007
【図６】
2007522395.tif 000008
【図７】
2007522395.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月6日(2005.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させて、該乱流渦内の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させるための渦発生装置の構造体を設計する方法であって、
（ｉ）前記二つのタイプの粒子の関連特性を特定するステップと、
（ｉｉ）一方のタイプの粒子が他方のタイプの粒子よりも著しく大きな滑り速度を有するようにするための最適な特性を有する渦サイズを決定するためにストークス数解析を実行するステップと、
（ｉｉｉ）前記ステップ（ｉｉ）において決定された前記最適な特性の渦サイズを有する渦を前記流体の流れの内部に発生させるための構造体を設計するステップと
を有している、方法。
【請求項２】
前記二つのタイプの粒子の関連特性が、前記粒子のサイズおよび密度を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記最適な特性の渦サイズを決定することが、繰り返し行程を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記最適な特性の渦サイズが、前記二つのタイプの粒子のストークス数の差を最大にするサイズである、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記構造体が、複数の羽根を備えるように設計されている、請求項１記載の方法。
【請求項８】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させ、該乱流渦内の少なくとも二つのタイプの粒子間に相互作用を引き起こすためのステップを有している、該流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させる方法であって、
前記渦が、前記二つのタイプの粒子を前記渦の中に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴とする、方法。
【請求項９】
前記渦が、一方のタイプの粒子を実質的に完全に取り込むものの他方のタイプの粒子を実質的に取り込まないことによって前記渦内の前記二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大にするようなサイズおよび／または強度を有している、請求項８記載の方法。  
【請求項１０】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
流体の流れの内部に乱流渦を発生させ、該乱流渦内の少なくとも二つのタイプの粒子間に相互作用を引き起こすための手段を備えている、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進させるための装置であって、
前記渦が、前記二つのタイプの粒子を前記渦の中に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有してなることを特徴とする、装置。
【請求項１３】
前記渦が、一方のタイプの粒子を実質的に完全に取り込むものの他方のタイプの粒子を実質的に取り込まないことにより前記二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大にするようなサイズおよび／または強度を有している、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
一方のタイプの粒子のストークス数が他方のタイプの粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きくなっている、請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
前記粒子のうちの少なくとも一つが１０-２〜１０２の範囲のストークス数を有している、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
請求項１記載の方法で設計される、流体の流れの内部に渦を発生させる構造体。
【請求項１７】
一つのタイプの粒子が、固体、液体または気体であり、他のタイプの粒子が、固体、液体または気体である、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
一つのタイプの粒子が、固体、液体または気体であり、他のタイプの粒子が、固体、液体または気体である、請求項８記載の方法。
【請求項１９】
前記流体の流れがダクト内に存在しており、乱流渦を発生させるステップが、複数の渦を発生させるために、前記ダクトを横切って間隔をあけて複数の羽根部材を設けることを含んでいる、請求項８記載の方法。
【請求項２０】
前記羽根間の前記間隔が前記羽根部材の幅程度である、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
羽根部材をアレイ状に設けるために前記ダクトを横切って間隔をあけて設けられている羽根部材のさらなる列を載置するステップをさらに有しており、該さらなる列が、前記ダクトに沿って長手方向に間隔をあけて設けられる、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記さらなる列の前記長手方向の前記間隔が、前記羽根部材の幅の１〜３倍程度である、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記流体の流れが前記アレイの前記羽根部材を通過するために少なくとも０．１秒かかるように十分な数の前記間隔をあけて設けられている羽根部材のさらなる列が、前記ダクトに沿って長手方向に間隔をあけて設けられている、請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
一つのタイプの粒子が、固体、液体または気体であり、他のタイプの粒子が、固体、液体または気体である、請求項１２記載の装置。
【請求項２５】
前記流体の流れがダクト内に存在しており、前記乱流渦を発生させるステップが、複数の渦を発生させるために、前記ダクトを横切って間隔をあけて設けられる複数の羽根部材を備えてなる、請求項１２記載の装置。
【請求項２６】
前記羽根部材間の前記間隔が前記羽根部材の幅程度である、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
羽根部材をアレイ状に設けるために前記ダクトを横切って間隔をあけて設けられている羽根部材のさらなる列を載置するステップをさらに有しており、該さらなる列が、前記ダクトに沿って長手方向に間隔をあけて設けられる、請求項２５記載の装置。
【請求項２８】
前記さらなる列の前記長手方向の前記間隔が、前記羽根部材の幅の１〜３倍程度である、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
各羽根部材が、Ｚ字形状の断面を有しなる、請求項２５記載の装置。
【請求項３０】
各羽根部材が、その長手方向の縁部に沿って空間をあけて設けられている歯部を備えてなる、請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
流体の流れの内部大きな粒子と微細な粒子との間の相互作用を引き起こすための装置であって、
前記流体の流れを横切って複数のマイクロ渦を発生させるためにアレイ状に設けられたマイクロ渦発生構造体を備えており、
該アレイが、複数の長手方向に空間をあけて設けられているマイクロ渦発生構造体の列を含み、各列が、複数の横方向に間隔をあけて設けられているマイクロ渦発生構造体を有しており、
前記微小粒子が、前記マイクロ渦内に実質的に取り込まれ、前記大きな粒子が実質的に取り込まれないことにより、前記二つのタイプの粒子間の相対的な滑りおよび相互作用の可能性を最大にするように構成されている、装置。
【請求項３２】
各マイクロ渦発生構造体が、長手方向の縁部が波形状になっている断面視においてＺ字形状の羽根部材である、請求項３１記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に流体の流れの内部における異なるタイプの粒子間の相互作用を促進または増大させるための方法および装置に関するものである。さらに詳細には、本発明は、高い効率で粒子スケールの乱流を発生させて、流体の流れの内部における特定のタイプの粒子間に相互作用を引き起こさせるための渦発生装置の構造体を設計する方法を提供している。
【０００２】
特に本発明は、空気流中の汚染微粒子を凝集させてさらに大きな粒子を形成し、後工程において、これらの粒子を空気流からフィルタを用いてまたは他の方法を用いて除去することを容易にすることによって、空気汚染の防止に適用される。但し、本発明はその用途に限定されるものではない。
【背景技術】
【０００３】
ほとんどの産業におけるプロセスは大気中に有害な小粒子を排出している。これらの粒子は、有害な化合物からなる容易に吸い込まれるサブミクロンサイズの微粒子を含有している場合が多い。有害性と吸い込み易さとが組み合わさるため、世界中の政府が、直径１０ミクロン（ＰＭ１０）未満の粒子、とくに２．５ミクロン（ＰＭ２．５）未満の粒子の排出をさらに厳しく防止するための法律を成立させようとしている。
【０００４】
また、大気中の排出物質内の小粒子は、大気汚染に関する好ましくない視覚的影響を引き起こしている主要な原因でもある。不透明性は、排出物質のうちの微粒子部分によってほとんど決定されている。というのは、光の吸光係数が０．１ミクロン〜１ミクロンの光の波長の近傍においてピークに達するからである。
【０００５】
空気流から粉塵および他の汚染粒子を取り除くためにさまざまな方法が用いられてきた。これらの方法は空気流から大きな粒子を取り除くには適しているものの、小さな粒子、とくにＰＭ２．５の粒子をフィルタを用いて取り除くには通常あまり効果的ではない。
【０００６】
微粒子は、衝突／接着により凝集させて大きな粒子を形成することにより、後の行程において、これらの粒子をフィルタを用いて容易に除去することができる。本発明者らの特許出願番号第ＰＣＴ／ＮＺ００／００２２３および同ＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００５４６には、粒子を凝集させるために電圧のかけられた受動的デバイスが開示されている。この凝集効率は、粒子間の衝突および類似の相互作用の発生率または頻度に依存している。
【０００７】
また、ほとんどの汚染防止方法は、対象となる汚染物質を後工程において取り除くために役に立つ反応または相互作用を促進させるにあたって、特定の種類の個々の元素間の接触に依存している。たとえば、水銀の除去（吸着）に活性炭の如き吸着剤を汚染された空気流内に注入することができるし、または、二酸化イオウの除去（化学吸着）にカルシウムを注入することができる。
【０００８】
相互作用を発生させるためには、対象となる二つの物質を接触させなければならない。標準的な送気ダクト内のほとんどの産業汚染物質にとって、このことは、複数の理由により困難である。たとえば、反応／相互作用の時間枠が短く（０．５〜１秒の程度）、対象となる物質が（その他の流体に対して）非常に希薄な状態で排気ガス全体にわたって分散し、送気ダクトのスケールが汚染粒子のスケールに較べて大きくなっているからである。
【０００９】
通常、産業プロセスの流出口からの排出ガスは、大きなダクトへ供給され、そこから、排出ガスを可能な限り均一にかつ可能な限り少ない乱流／エネルギー損失で、下流側の収集デバイスへ搬送するようになっている。通常、途中で発生する乱流というのは、ガスが、回転している羽根のまわりから、ダクト内部の支持部材／補強材のまわりから、散乱スクリーンを通過してから、大きく脇へそれたもののことである。この乱流は、そのスケールがダクトの寸法程度であるが、障害、すなわち圧力降下を最小限に抑えて、所望の流れに修正できることが望ましい。
【００１０】
同様に、特定の用途、たとえば特定の汚染物質を吸収・吸着させるために混合デバイスが用いられる場合、通常これらの混合デバイスは、大規模な乱流領域（ダクトの幅または高さ程度）を発生させるとともに、ガスが通過しなければならない短く連続して設けられているカーテンのように配置されるデバイスである。
【００１１】
ほとんどの公知の混合デバイスの目的は、二つ以上の物質を均一に混合することにある。このようなデバイスは、その混合物の粒子間の相互作用をとくに促進するように設計されているものではない。粒子の搬送を含むほとんどの産業規模のデバイスでは、混合により発生する乱流は、粒子に較べてスケールが大きくなっている。このような状況下では、粒子は、衝突コースに進むというよりは同様なコース（平行なコース）を進む傾向がある。
【００１２】
また、流体の混合を促進するために渦発生装置が混合チャンバ内で用いられうることが知られている。しかしながら、このようなデバイスは、粒子を含んだ流れの内部の粒子間に衝突を引き起こすために用いられることは通常ない。
【００１３】
粒子が、煤塵（たとえば、フライアッシュ）、ガス（たとえば、二酸化イオウ）、ミスト（たとえば、ＮＯｘ）または元素（たとえば、水銀）であっても、工場の煙突内で収集が困難な汚染物質（ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｅｓ）は、直径がマイクロメータ程度（すなわち、１０-６メートル）のものである。サイズが小さいために、これらの汚染物質が流体の流れ全体に対して占める容積部分は非常に小さい。たとえば、均一に分散されている場合、直径が１マイクロメートルの粒子１００万個が体積１ｃｍ３のガスの中で占める割合は、０．００００５％未満である（粒子が球状であると仮定する）。直径が１０μｍであっても、この割合は０．０５％に増えるのみである。水銀の如き汚染物質が、存在する物質すべてのうちの数ｐｐｍしか占めていないと考えられるような場合、工場の排煙ガスにより搬送されている物質間には非常に大きな量の空間／距離が存在していることが明かである。粒子がすでに流れの内部で「良く混合されている」場合、たとえば（煙突内におけるように）ダクト全体にわたりほぼ無作為的に分散されている場合、いかなるスケールの乱流であっても粒子をそれ以上に混合することはできない。
【００１４】
流れている流体の内部に含まれる十分に小さな粒子は、その流体の流れの流線に沿って移動する。このことは、流体の粘性力が粒子の慣性力よりも大きい場合に起きる。公知になっているダクトのスケールでの乱流混合領域は、粒子よりも何桁も大きい。粒子に関していえば、これらの粒子は、無秩度状態ではなく、比較的なだらかに動いている。粒子が、ダクト内において、乱流を通過するまたは標準的な混合領域を通過する際に方向を何回も変更しうるが、各粒子は、そのサイズまたはスケールを考えれば、比較的に長距離移動している。したがって、工場の塵を含んでいる流れの典型的な状態下の流線にある粒子は、その隣の粒子とほぼ同一の流路を移動し、その結果、周りの粒子との相互作用がほとんどないものとなる。これらの粒子のスケールでは、乱流により引き起こされる相互作用がほとんどないため、公知の混合プロセスでは凝集の効率は悪い。
【００１５】
流体の流れの容積のうちの小さな割合を占める非常に小さな汚染物質の衝突率を最大限に大きくしようとするシステムは、汚染物質を、可及的頻繁に互いに異なる軌道に沿っておよび／または異なる速度で移動させなければならない。これに加えて、軌道および／または速度の差は、その粒子のスケールにおいて最も効果を奏するようなものでなければならない。残念なことには、現在の設計思想は、これらの基準を適切に充たすものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、流体の流れの内部の粒子の相互作用を向上させることにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、流体の流れの内部の特定のタイプの粒子間に相互作用を引き起こさせるために、非常に効率の高い方法で粒子のスケールの乱流を発生させる構造体をカスタム設計する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、流れている流体内において異なる質量および／または空気力学的物性を有する二つの粒子が、その流体の流れの内部における所定の乱流渦に対して異なった反応を示すということに着目したものである。さらに詳細にいえば、あるスケールを渦が有している場合、粒子が異なればその渦の中に取り込まれる程度も異なり、追従する軌道も異なることになる。したがって、これらの粒子間の衝突または相互作用の可能性が大きくなる。
【００１９】
乱流渦に捕獲され取り込まれた粒子であって、同様の質量および／または空気力学的物性を有している粒子は、ほぼ同一の流路を追従し、最終的に、相互に影響を及ぼすことはない。それよりも大きな質量および／または異なる空気力学的物性を有している粒子は、渦の中に取り込まれないかまたは取り込まれたとしても非常に少ししか取り込まれないため、渦の異なる軌道上を通過することになり、その同一の渦の中に取り込まれている多くの他の粒子によって影響を受けることになる。
【００２０】
流体の流れの内部の二つの異なる粒子間における衝突、たとえば大きな粒子による小さな粒子の凝集または吸着の可能性を向上させるために、異なる粒子が取り込まれる程度が著しく異なるようなスケールの渦を発生するような構造体が設計される。
【００２１】
一つの包括的な実施形態では、本発明は、乱流渦内の二つのタイプの粒子間に相互作用を引き起こすために流体の流れの内部に渦を発生させるステップを有している、流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進する方法を提供し、当該渦が、これら二つのタイプの粒子をこの渦内に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴としている。
【００２２】
他の実施形態では、本発明は、乱流渦内の二つのタイプの粒子間に相互作用を引き起こすために流体の流れの内部に乱流渦を発生させるための手段を備えている流体の流れの内部の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進するための装置を提供し、当該渦が、これら二つのタイプの粒子をこの渦内に取り込む程度が著しく異なるようなサイズおよび／または強度を有していることを特徴としている。
【００２３】
好ましくは、乱流渦は、一方のタイプの粒子が実質的に全面的に取り込まれ、他方のタイプの粒子が実質的に取り込まれないようなサイズおよび／または強度を有することにより、二つのタイプの粒子間の相対的なズレおよび相互作用の可能性を最大限に大きくしている。
【００２４】
他の広義の実施形態では、本発明は、乱流渦内の少なくとも二つのタイプの粒子間の相互作用を促進するために、流体の流れの内部に乱流渦を発生させるための構造体をカスタム設計する方法を提供しており、この方法は、（ｉ）二つのタイプの粒子の関連特性を特定するステップと、（ｉｉ）一方のタイプの粒子が他方のタイプの粒子よりも著しく大きなズレ速度を有するようにするための最適な特性の渦サイズを決定するためにストークス数解析を実行するステップと、（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において決定された最適なサイズを有する渦を流体の流れの内部に発生させるための構造体を設計するステップと有している。
【００２５】
通常、上述の二つのタイプの粒子の関連特性には、粒子のサイズと密度とが含まれている。
【００２６】
上述の最適な特性の渦サイズの決定には、繰り返し行程が含まれうる。
【００２７】
ストークス数の標準式において粒子が球状であることが想定されているので、粒子の形状を考慮するための経験的「形状因子」が適用されうる。
【００２８】
与えられた二つのタイプの粒子、たとえば、収集粒子および被収集粒子については、本発明は、二つの粒子の滑り速度の差を最大限に大きくすることにより粒子間の相互作用の可能性を最大限に大きくするようなサイズおよびスケールを有する乱流渦を発生させる構造体をカスタム設計する方法を提供している。好ましくは、発生した乱流内の渦は、収集粒子の滑り速度が最大限に大きくなり、被収集粒子の滑り速度が最小限に小さくなるようなサイズである。
【００２９】
特に別記のない限り、本明細書の全体にわたって、用語「粒子」は、流れている流体の構成成分であって、同一の流体の流れの内部の他の粒子との衝突を引き起こすよう操作されうる構成成分であること意味する。この「粒子」は、固体（たとえば、フライアッシュ粒）であってもよいし、液体（たとえば、分散された水滴）であってもよいし、または、ガス（たとえば、ＳＯ３、ＨｇまたはＮＯｘの分子）であってもよい。本発明は、ガス−固体粒子間の相互作用、ガス−液体飛沫間の相互作用、液体−固体粒子間の相互作用、異なるサイズの飛沫間の相互作用、異なるサイズの粒子間の相互作用に対して適用することができる。異なるサイズの粒子は、ガス内または液体内に分散されていても良く、また、異なるサイズの飛沫はガス内に分散されていても良い。
【００３０】
用語「収集粒子」は、「被収集粒子」または「収集粒子」と衝突および／または相互作用させるために用いられる大きなおよび／または重い粒子を意味する。
【００３１】
用語「相互作用」は、粒子が、凝集を引き起こすように、衝突するか、接触するか、または、十分に近づくことを意味する。
【００３２】
加えて、用語「滑り（ｓｌｉｐ）」および「滑り速度（ｓｌｉｐ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）」は、粒子とその周りの流体との間の相対速度を表すために用いられている。したがって、粒子が乱流内に全面的に取り込まれた場合、その滑り速度は零である。粒子の流路がその周りの流体の流路からズレればズレるほど、その滑り速度は大きくなる。したがって、このような場合、小さな粒子が大きな粒子よりも流れに対してより密接に追従しているときは、これらの小さな粒子の滑り速度は、小さく、そのような粒子は、「滑り」が小さいといわれる。
【００３３】
典型的には、流体の流れは、ガス流または空気流であり、少なくとも一つのタイプの粒子は、マイクロンまたはサブマイクロンのサイズの汚染粒子である。しかしながら、本発明は、汚染防止用途に限定されるものではなく、流体の流れの内部における粒子間の相互作用をより高い効率で達成することが求められるような他の用途に対して幅広く適用される。
【００３４】
典型的には、乱流渦は、複数の異なるサイズおよび形状を有する渦巻き運動を含んでいる。
【００３５】
一つの実施形態では、微小な（汚染）粒子を取り込みそれらを乱流の影響下に晒すために、複数の小さな低強度の渦が用いられる。一または複数の種類の大きな「収集」粒子が、汚染粒子を取り除くために、ガス流中へ投入される。大きな収集粒子は、渦の中へ取り込まれないかまたは非常に少ない量しか取り込まれないため、微小な汚染粒子とは異なる軌道を追従することになり、この結果、汚染粒子とそれよりも大きな粒子との間の接触および／または相互作用の可能性が大きくなる。
【００３６】
汚染粒子がそれよりも大きな粒子と接触すると、それに付着するかまたはそれと反応する傾向がある。収集粒子は、第三の物質（たとえば、石膏）を形成するために、汚染粒子（たとえば、二酸化イオウ）と化学的に反応するカルシウムの如き化学物質であっても良い。これに代えて、収集粒子は、吸収または吸着することにより（炭素粒子が汚染物質である水銀粒子に吸着することにより）、汚染粒子を取り除いても良いし、または、収集粒子は、単に衝撃吸着（ｉｍｐａｃｔ  ａｄｈｅｓｉｏｎ）により汚染粒子を凝集して、微細な汚染粒子を取り除いても良い。大きくなった粒子または凝集された粒子は、後の行程において、公知の方法を用いてガス流から取り除くことが容易になる。
【００３７】
典型的には、ストークス数が１よりも非常に小さい場合、微小な汚染粒子が確実に取り込まれる。大きな収集粒子は、取り込まれないように、ストークス数が１よりも非常に大きいことが必要である。実際には、ガス流中に生成される渦または渦巻きは、公知になっている大きなスケールの乱流とは異なり、小さいものである。したがって、上述の構造体は、通常、複数の小さな渦または渦巻きを発生させる複数の構成要素を備えている。
【００３８】
複数の小さな渦または渦巻きは、対象となる（小さな）粒子を取り込み、それらを乱流に従属させる。大きな粒子は、これらの小さな渦きにより必ず取り込まれるわけではなく、取り込まれるとしてもその程度は非常に小さいものである。小さい粒子と大きい粒子との間の相対的な運動により、これらの粒子間の衝突の頻度が多くなり、大きな（収集）粒子による微小な（汚染）粒子がより効率的に取り除かれる。
【００３９】
複数の小さな渦巻きを用いることは、粒子がダクト内においてすでに十分に分散されているような流れの場合には、直感的に思いつくものではない。通常、ガス流内の圧力降下は可能な限り小さい方が望ましい。このため、典型的には、羽根は、可能な限りダクト内において粒子の分布を均一に保持するように用いられる。したがって、このような羽根は、通常、そのスケールが比較的大きくなっており、ダクトよりも僅かに小さいだけである。たとえば、粒子の全てが曲がり角から外に出て行き、曲がり角の下流に非均一な分布を形成することを回避するために、大きなスケールの「回転羽根」が曲がり角において用いられうる。
【００４０】
これに代えて、二つの異なる物質が容器またはダクトの内部においていて最初良く分散されていない場合に、均一な混合物を生成するために、公知の混合装置が用いられる。先の場合と同様に、大きなスケールの装置が通常用いられる。これらの装置は、ダクト内ですでに十分に分散されている物質間における衝突を促進する目的で用いられることは通常ない。一方、本発明は、流れ全体にわたりすでに十分に分散されている微小な（汚染）粒子と収集粒子との間の相互作用を増大するために、小さなスケールの渦を形成する複数の渦発生装置を用いている。
【００４１】
本発明がさらに十分に理解され、実施されるために、一例として、その実施形態を添付の図面を参照しながら記載する。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
好ましい実施形態では、本発明は、粒子の衝突または相互作用の確率を上昇させて粒子を凝集させるかまたは他の方法で相互に反応させることによってより容易に除去可能な粒子を形成するように、一般的には工業プロセスからの排出ガスの流れである、流れている流体により搬送されている非常に小さな汚染粒子とそれよりも大きな収集粒子との相対軌道を操作するために乱流渦が利用されている。異なる種類の粒子が著しく異なる滑り速度を有するために必要となるサイズおよびスケール有する乱流を発生させるような構造体が設計される。
【００４３】
前記乱流は、小さな汚染粒子のストークス数（Ｓｔ）が１よりも非常に小さく（Ｓｔ＜＜１）、それよりも大きな収集粒子のストークス数が１よりも非常に大きく（Ｓｔ＞＞１）あるべきである。
【００４４】
このストークス数（Ｓｔ）とは、粒子が乱流の流線を追従することができる理論的な尺度である。ストークス数は、流体の流れ時間に対する粒子の応答時間の比であると定義され、以下の式で表される：
Ｓｔ＝τｐ／τｆ＝ρｐＵｄｐ２／１８μＬ                                （１）  
上記の式において、τｐが粒子応答時間、τｆが流れの特性時間、ρｐが粒子密度、Ｕが流体速度、ｄｐが粒子直径、μが流体粘度、Ｌが渦寸法（ｅｄｄｙ  ｄｉｍｅｓｉｏｎ）を表している。典型的には、Ｓｔ＜＜１の場合、粒子はスケールＬの乱流渦に全面的に応答し、それに厳密に追従する。Ｓｔ＞＞１の場合、粒子は、上記のスケールの乱流運動に対して全く応答せず、粒子の軌道は、まったく影響を受けない。中間の範囲、Ｓｔ≒１の場合では、粒子は流体の運動に部分的に応答するものの粒子の軌道は流体の運動から著しく離れている。
【００４５】
たとえば工場の石炭燃料式ボイラーの煙突内の一般的な汚染物質に対してストークス解析を実行する場合、典型的なダクトのスケール（たとえば、４ｍ２）およびガス速度（８〜１６ｍ／ｓｅｃ）における乱流渦のときには、通常観察されるようなすべてのサイズの粒子が、乱流渦に対して、全面的に応答すること、すなわちＳｔ＜＜１であることが見出されている。ダクトの高さ／幅の混合器、回転羽根、補強部材などの寸法（たとえば、４００ｍｍ）に対応するスケールの乱流の場合であっても、１００μｍ未満の粒子のほとんどが乱流渦に対して全面的に応答する。乱流のスケールがこのサイズよりも著しく減少したときにやっと、粒子が、０．１μｍから１００μｍまでのサイズに対してＳｔ＜＜１からＳｔ＞＞１までの応答範囲を示す。このような状況下では、大きな粒子および小さな粒子の軌道が流体の流れの軌道からズレて行く程度が異なり、これにより、衝突の可能性が大きくなる。
【００４６】
以上のことから、乱流渦が適切なサイズに形成された場合、固定されたサイズの乱流渦との相互作用の違い、すなわち通過流路の違いに基づいて、同一の流体の流れの内部で異なるサイズの構成物質の衝突回数を増やすことが可能となることが明かである。さらに、乱流渦に対する慣性の違い、すなわち乱流渦に対する応答の違い基づいて、特定の構成物質間の相互作用を最大にするよう乱流渦の主要サイズを調整することができる。渦サイズの所望の組み合わせを提供するための適切な構造体を設計することができる。
【００４７】
以上の乱流渦を形成するために、渦発生装置を用いることができる。渦発生装置は、当該技術分野において一般的に知られているので、本明細書ではその詳細を記載しない。通常よく用いられる渦発生装置は羽根である。流体の流れにおいて複数の渦を発生させるために、複数の羽根を備えた構造体を用いても良い。
【００４８】
図１および図２に示されている一つの実施形態では、渦を発生させるために、アレイ状に配列されているとともに山形断面を有する一連の羽根10が用いられている。図１に示されている羽根10は、その長手方向に沿って間隔をあけて設けられている突出部または「歯部」12を有するＺ字形状の細長い一片の金属を備えている。この歯部12は、細長い一片の金属10の縁部に沿って間隔をあけて設けられている切欠部11によって形成されている。歯部12は、歯の奥行きＴｄとピッチＴｐと有している。
【００４９】
図２の平面図に示されているように、一連の羽根10は、アレイ状に配列され、複数の並列な列を備えており、これらの並列な列は、流れの方向に沿って延び、それぞれの列は、流体の流れ方向に対して横方向に向けられているとともに間隔をあけ設けられている複数の羽根を備えている。（通常、これらの複数列の羽根は、分かり易いように省略している平板状のフレームに搭載されている）。羽根10の本体部は、Ｖｌだけ流体の流れる方向に向かって延び、距離Ｖｓだけ間隔があけられて設けられている。また、羽根10の本体部は、流れの方向対して横方向にＶｗの幅を有している。
【００５０】
乱流渦は、羽根10の折曲部および突出部により形成される。この設計により形成される渦の主要サイズは、渦発生装置の有効な寸法を近似したものであり、羽根の幅Ｖｗ、羽根の長さＶｌ、歯の奥行きＴｄおよび歯のピッチＴｐを含んでいる。連続する羽根Ｖｓ間の離隔距離は、渦が羽根と羽根の領域で十分に形成されるように選択される。
【００５１】
形成される渦のサイズの組み合わせは、寸法の組み合わせによって決まる。最適な範囲のサイズの渦が選択され、これを降下圧力の如き他の制約下で達成するように、羽根の設計が最適化される。
【００５２】
例示されている羽根10には歯部を用いることが示され、この羽根が流体の流れの方向に対してある角度を形成するように設けられているが、他の変形例も可能である。というのは、渦が、流体の流れの流路内に設けられるいかなる平板状、円筒状または他の形状を有する本体によっても形成され、この形成された渦が障害物である羽根のサイズとほぼ同一のサイズであるからである。
【００５３】
たとえば、図３に示されているように、アレイ状に、流体の流れる方向に対して横方向に配置された一連の平坦な細長い板が用いられても良い。これに代えて、図４に示されているような波形の縁部を備えているアレイ状に設けられた一連の平坦な細長い板または図５に示されているようなアレイ状に配置された一連の円形状の柱が用いられても良い。また、間隔をあけ、流れに対して横方向に向けて設けられた横１列のワイヤまたは棒部材が用いられても良い。
【００５４】
以上のアレイ状に配列された一連の羽根によって発生された複数の小スケールの渦巻または渦は、流路全体が乱流領域に含まれることが望ましいため、ダクト全体に到達するようになっている。しかしながら、これらの羽根を、対象とする空気流の流れるダクト内に設けても良いものの、いうまでもなく、本発明は、羽根を、ダクトまたは他の導管の内に設けることを必要としていない。
【００５５】
したがって、一つの実施形態では、流体の流れの内部で所望のサイズおよびスケールの乱流を発生させる構造体を以下のように設計しうる。
１．各サイズの粒子の相対的な量を含む、凝集する粒子（収集粒子および被収集粒子）の分布および密度を決定する。
２．「収集粒子」（すなわち、滑りの最も大きい粒子）として作用する粒子のサイズ、密度および形状の分布ならびに数密度を特定する。これらの粒子は、システム（たとえば、細かく砕かれた燃料灰流中の粒子のうちの上側部分）にもともと存在していても良いし、投入されても良い（たとえば、水銀収集のための吸着粒子）。
【００５６】
一部のシステムでは、収集粒子および被収集粒子が著しく異なる密度および形状を有しうる場合がある。収集粒子および被収集粒子の滑り特性の差は、サイズの差に加えて、密度または形状の差により達成されても良い。
【００５７】
また、収集粒子が、収集粒子と被収集粒子との間に相当な数の衝突を発生させることができる十分な数の収集粒子が存在することを担保するように選択される。
３．収集粒子が被収集粒子よりも著しく大きな滑り速度を有するようにするための最適かつ特徴的な渦サイズを決定するために、（上の）２で規定したシステムに対して、式（１）を用いてストークス数解析を実行する。このためには、収集粒子のストークス数が被収集粒子のストークス数よりも少なくとも一桁大きいことが必要となる。ある好ましい方法では、球状の収集粒子のストークス数は、１０-２＜Ｓｔ＜１０２の範囲である。
【００５８】
ここで重要なことは、一旦重要な粒子サイズが決定されれば、ストークス数解析を実行することができるということである。これは、Ｓｔを（滑りの大きい粒子に対してＳｔ＞＞１として）設定することができる上に、ストークス式中のＬ（渦サイズ）以外のすべての他の変数が一定である（または一定と仮定することができる）からである。
【００５９】
最適かつ特徴的な渦サイズ（Ｌ）を決定するために反復法を用いても良い。詳細にいえば、（上の）ステップ３において決定された渦サイズ（Ｌ）を用いて、所望の「被収集粒子」のサイズに対するＳｔをチェックする（滑りの小さな粒子の場合、Ｓｔ＜＜１）。（上の）ステップ３において決定された渦サイズ（Ｌ）とＳｔ＝１とを用いて、中間粒子の応答をチェックする。所望の粒子応答を得るために、渦サイズ（Ｌ）を調整しながら、これらのステップを繰り返す。
【００６０】
最適な渦サイズは、通常小さく、たとえば４００ｍｍよりもかなり小さく、典型的には１０ｍｍ程度であるが、粒子物質の種類および関連する特性により異なる。
４．（上の）ステップ３で決定された渦サイズ（Ｌ）の渦を発生させるために、渦発生装置の羽根の主要寸法Ｗにとって必要なサイズを決定する。一つの方法では、ＷはＬと等しいと想定されうる。他の好ましい方法では、羽根のサイズは、ストークス数相似（Ｓｔｏｋｅｓ  ｎｕｍｂｅｒ  ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ）により求められうる。これには、一組の異なる条件下において、すなわち、異なる粒子サイズ、密度、形状および流速の分布および／または動的粘性において良好に作用することが見出されている収集粒子および被収集粒子のストークス数に可能な限りきっちりと一致させるように、羽根のサイズを拡大縮小することが必要となる。
５．上の４で決定されたサイズの渦を発生させるために適切な形状および寸法を有する羽根を設計する。好ましい形状の羽根が図１に示されている。必要に応じて、非球状粒子の形状を考慮するために、経験的な「形状因子」（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  “ｓｈａｐｅ  ｆａｃｔｏｒ”）を適用しても良い。
【００６１】
システムの物性、製造の寸法要求および装置の加工制約により決まる羽根の重要な寸法の各々に対してあるサイズ範囲が存在しうる。しかしながら、一般的には、変数Ｖｗ、Ｖｌ、Ｖｓ、Ｔｐ、Ｔｄにより、発生する乱流渦のサイズ、形状、強度および頻度が決定され、次いで、これらにより、羽根の裏側の乱流内で粒子がズレて衝突する程度が制御される。設計の重要な基準は、羽根のサイズと間隙である。
【００６２】
以上に加えて、本発明の目的は、凝集、吸着・吸収、触媒（ｃａｔａｌｉｓａｔｉｏｎ）、凝縮などの有用な目的のために、分散されている粒子を衝突させることにある。したがって、ほぼ全ての粒子が、装置内を移動する間に、少なくとも一回の（そして、好ましくは複数回の）衝突を経験することができる十分な相互作用を粒子間に発生させる必要がある。実際問題として、このことは、流れの方向および流れに対して横方向に複数の羽根を必要とする。流れ方向に対して横方向に設けられる複数の羽根によって、装置を貫通する流路に適切なサイズに形成された渦が存在することが担保され、流れ方向に設けられた複数の羽根によって、上記の流れが、有益な数の衝突が粒子間に発生することができる十分な時間にわたって装置内に保持されることが担保される。
【００６３】
好ましい実施形態では、装置は、そこを流れている流体が少なくとも０．１秒間その装置よって取り扱われることができるように十分に流れ方向に向かって長くなっている。このことは、典型的な工業上の流速である（たとえば）１０ｍ／ｓｅｃの場合には、装置が流れ方向に向かって少なくとも１ｍの長さを有していることを必要とする。
【００６４】
図６に示されているように、流れの方向に連続して設けられる羽根は、ある羽根により発生する渦が下流側の直ぐ隣の羽根の渦発生作用により強化されるように、離されているべきである。この図６では、ある羽根により発生させられた渦１が、次に続く羽根により２の位置で強化されていることが示されている。さらに図６には、滑りの小さな粒子3および滑りの大きな粒子4の異なる軌道が示されている。好ましい実施形態では、羽根は、羽根幅Ｖｗと等しい距離Ｖｓだけ離されている。
【００６５】
羽根の配列は、重要ではなく、水平方向であっても良いし、垂直方向であっても良いし、これらの二つの方向の間の任意の角度であっても良い。
【００６６】
本発明は、混合装置を個々の用途に適合するように設計することができるという利点がある。さらに詳細にいえば、所望のスケールの乱流を達成することができ、その結果、小さな汚染粒子は、乱流の渦または渦巻の中に取り込まれるものの、大きな収集粒子は、ほんの少しまたは無視できる程度しか取り込まれない。この結果により生じた小さな汚染粒子および大きな収集粒子の滑り速度の差および機能の差により、これらの二つのタイプの粒子間にさらなる衝突が生じることになる。したがって、粒子間に、より大きな相互作用（たとえば、衝突付着、吸収、吸着または化学反応）が働き、汚染粒子の除去効率が向上される。
【００６７】
理論的には、本発明は、対象となる二つの粒子物質を取り込む程度が著しく異なるようなスケールの乱流を発生させることを含んでいるとともに、いかなる特定の装置及びプロセスに限定されない。最適な衝突率は、一方の物質に対してＳｔ＜＜１の関係を維持するとともに他方の物質に対してＳｔ≧１の関係を維持するシステムにより得られる。乱流は、いかなる適切な方法で発生されても良く、公知となっている渦発生装置に限定されるものではない。
【００６８】
本発明は、とくに汚染防止用途に関連付けて記載されているが、他の用途のための効率の良い混合装置の設計のために用いられても良い。
【００６９】
さらに、本発明は、とくにガス流内の粒子の混合に関連付けて記載されているが、液体のような他の流体の流れの内部の混合に適用されても良い。
【００７０】
羽根は、直線型のアレイ状に配置する必要がない。図７に示したように、羽根を、流れ方向を横切りかつ連続した列として取り付け、各列内の羽根を、その隣接する列内の羽根に対して、流体の流れ方向に対して横方向にずらしても良い。
【００７１】
本発明のさらなる実施形態では、二つまたはそれ以上の乱流発生装置が流れ方向に沿って順に離隔されて設けられ、次第に大きな乱流渦を発生することにより、次第に大きな粒子の影響を促進させるようになっている。このように構成すると、流れの方向に沿ってサイズが次第に大きくなる凝集体が提供される。この実施形態は、ミスト除去装置および微粒子凝集装置に加えて、プロセスの効率を上げるために次第に大きな構成成分を標的にしていくような化学相互作用プロセスまたは触媒プロセスに対して適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一つの実施形態にかかる羽根を示す斜視図である。
【図２】図１の羽根の配列を示す平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す部分斜視図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態にかかるアレイ状に配置された羽根を示す部分斜視図である。
【図６】図２の配列により形成される乱流渦を示す図である。
【図７】図２のアレイ状に配置された羽根の修正バージョンを示す平面図である。
【国際調査報告】
2007522395.tif 000010
2007522395.tif 000011