(57)【要約】  クロス−フロー式に気泡を発生する装置および方法であって、液体が進入する第１管路（１）を備え、該第１管路を介して、推進液体が圧力ＰOで供給され、第２供給管路（２）を備えており、該第２供給管路を介して、分散される流体が、滴または気泡の形態で、圧力ＰGで圧力チャンバ内に供給され、液体を供給する上記の第１管路（１）と上記の圧力チャンバ（３）との間にダイヤフラム（４）が設けられ、該ダイヤフラム（４）は、上記の分散される流体と、上記の第１管路（１）に沿って流れる上記の液体とを連通する複数の噴射オリフィス（８）を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に滴および気泡を発生させる装置であって、
液体が進入する第１管路（１）を備え、該第１管路を介して、推進液体が圧力ＰOで供給され、
滴または気泡の形で流体が分散される第２供給管路（２）を備え、該第２供給管路を介して、分散される流体が圧力ＰGで圧力チャンバ（３）内へ供給され、
上記の第１液体供給管路（１）と上記の圧力チャンバ（３）との間に、ダイヤフラム（４）が設けられ、該ダイヤフラムは、上記の分散される流体と、上記の第１管路（１）に沿って流れる上記の液体とを連通可能にする複数の噴射オリフィス（８）を有し、
上記の複数の噴射オリフィス（８）の間、すなわち、上記複数の噴射オリフィスの面における膜と剛性の壁（１０）との間に流路域を更に備え、上記噴射領域における横断面の面積は、２５ｍｍ2と噴射オリフィス（８）の数とを掛け算した結果より小さく、これら全てが気泡同士の凝集を回避するように設けられていることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記噴射領域における形状は、各一組の噴射オリフィス（８）のそれぞれの中心を結ぶ直線と、上記の噴射オリフィスのいずれかから排出された気泡の経路の正射影とによって形成される角度によって画定され、上記気泡の経路が上記のダイヤフラムに垂直に流出されずに、上記のダイヤフラムに本質的に平行な経路を描くように、上記の角度は１０度を超えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
流れの縦方向（流れの方向）に沿った流れ分離手段を更に備え、流れの分離は、分散される上記の流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因しており、上記の流体が分離される複数の平行の縦長チャネルの少なくとも１つの上記の噴射領域における横断面の面積の範囲は、０.００１ｍｍ2〜５ｍｍ2であり、この範囲は、数ミリメートル〜百ミクロンの気泡を発生することができると同時に、循環する流れに目詰まりの問題を引き起こすほど十分に小さくないので、最も有用な値であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
流れの縦方向（流れの方向）に沿った流れ分離手段を更に備え、流れの分離は、分散される上記の流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因しており、上記の流れ分離手段は、剛性の壁（１０）に本質的に垂直である細長い複数の要素（９）、または複数の平面の壁から成り、それによって、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の液体は、上記のダイヤフラムが支持されている剛性の細長い複数の要素に逆らって、複数の平行な縦長チャネルに沿って循環し、これは、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因することを特徴とする請求項１または３に記載の装置。
【請求項５】
上記のダイヤフラム（４）が当接すると共に、上記の第１液体供給管路（１）と上記の分散される流体を含んでいる上記の圧力チャンバ（３）とを分離している上記の細長い固体の要素（９）は、液体の第１入口管路（１）の壁（１０）に結合されており、上記の壁（１０）は上記のダイヤフラム（４）の反対側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
流れの縦方向（流れの方向）に沿った流れ分離手段を更に備え、流れの分離は、分散される上記の流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因しており、上記の流れ分離手段は、上記液体の流れの縦方向（流れの方向）に、上記のダイヤフラム（４）に予め形成された多数の溝から成り、これらの多数の溝は、複数の平行管路に上記の液体の流れを分割すると共に、上記のダイヤフラムの反対側の上記剛性の壁に接触し、気体を噴射するための上記複数のオリフィスがその内部に位置しており、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因することを特徴とする請求項１または３に記載の装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置に実施されるクロス−フロー式に気泡を発生させる方法であって、
液体が進入する第１管路（１）を介して、圧力Ｐoで推進液体を供給する工程と、
第２気体供給管路（２）を介して、圧力ＰGで分散される気体を圧力チャンバ（３）内へ導入する第２工程とを備え、
複数の噴射オリフィス（８）を有するダイヤフラム（４）を介して、上記の分散される流体と、第１管路（１）を介して流れる上記の液体とが連通され、
２５ｍｍ2と噴射オリフィス（８）の数とを掛け算した結果より小さい面積を有する横断面中に、上記の複数の噴射オリフィス（８）を介して噴射する工程を更に含み、気泡同士の凝集が回避されることを特徴とする方法。
【請求項８】
流れの縦方向（流れの方向）に沿った流れ分離工程を更に備え、流れの分離は、分散される上記の流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因しており、上記の流れの分離は、上記流体が移動する縦方向（流れの方向）に伸びている剛性の複数の要素（９）によって行われ、それによって、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の液体は、上記のダイヤフラム（４）が当接されている剛性の細長い複数の要素（９）に逆らって、複数の平行な縦長チャネル（１１）に沿って流れ、これは、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
流れの縦方向（流れの方向）に沿った流れ分離手段を更に備え、流れの分離は、分散される上記の流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因しており、上記の流れ分離は、上記液体の流れの縦方向（流れの方向）に、上記のダイヤフラム（４）に形成された多数の溝から成り、これらの多数の溝は、複数の平行管路に上記の液体の流れを分割し、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明の目的は、数ミリメートル〜１００ミクロン未満に及ぶ標準的な大きさを有する気泡を、あらゆる種類の液体中に発生させることができる装置の提供である。この目的を果たすために、弾性膜に作られた複数の小さなオリフィス（orifice）、または切り取り部を介して、分散される気体が導入されて、横断的な液体流（クロス−フロー）に注がれる。滴または気泡の発生を可能な限り効率的にするためには、システムに伝えられるエネルギーに応じて、液体−気体界面の表面を増やすためのプロセスに用いられるエネルギーの割合を最大化しなければならない。本発明の目的である装置は、小さな気泡を効率的に発生させることがプロセスの重要な要素である分野（例えば、液体の酸化（つまり曝気）、液体−気体転移プロセス、液体−気体分離プロセス等）に利用することが可能である。このような用途の多くにおいては、相間の接触面積を最大化することを主な目的としている。
【０００２】
〔先行技術〕
既存の酸化法、つまり曝気法は、溶存酸素濃度を飽和値に近づけるために、気体−液体接触面を増加させることに基づいている。今日使用されているシステムの多くは、液塊を空気中に分解するように試み、その後、それらを液塊に再導入するものであり、そうではないシステムは、液体に直接導入される気泡を発生させるものである（C.E. Boyd 1998, Acuicultural Engineering 18, 9-40)。装置のなかには、液流存在下で、気体または大きな気泡の流れを断絶させる装置がある（例として、ベンチュリ（venturi）、または同時にエアインペル（air impeller）、あるいはエアサッカー（air sucker）であるいくつかのポンプの場合が挙げられる）。しかし、上記の装置の収率は低く、その基準曝気効率（ＳＡＥ）は、キロワット時あたりの酸素消費量が２キロを上回ることはほとんどない。
【０００３】
気泡を発生させるための最も効率的な方法は、平行流（co-flow）の液体内に気体を噴射することである。しかしながら、これは、大流量を得るためには、流れの中に数百個または数千個の針（needle）を設置する必要があることを意味している。したがって、主要な管路の壁面に作られた複数のオリフィスを用いて気体の噴射を行うことに対して、より多くの関心が寄せられているようである。この気体の噴射においては、横断的な液流が、上記管路の出口にて、上記複数のオリフィスから排出される気体に対する強力な抗力を作るようになっている。このクロス−フロー式の設計によって、装置の外形と共に、気体および液体の噴射流量に従って、種々の方式や様式を作り出すことが可能である（S. E. Forrester y C.D. Rielly 1998, Chemical Engineering Science 53, pag. 1517-1527）。気体−液体転移の用途に関して、最も関心の高い様式は気泡様式と呼ばれるものである。当該気泡様式は、少ない気体流量で行われ、噴射オリフィス付近における均一なサイズの略球体の気泡を規則的に発生させる。この動作様式の主な欠点は、通常の幾何学形状に対して、噴射された気体流量とインペラ式液体流量との比が非常に低いことである。気体流量が多い場合、オリフィスの出口に集中する連続的なジェット流が作られる。このジェット流は、その後、無秩序に不規則に分解される。これはジェット流様式として知られている。
【０００４】
過去数十年間にわたって、クロス−フロー式の方法に基づいた気泡の発生に関する多数の特許が公開されてきた（ＵＳ３４８９３９６、ＵＳ４７０８８２９、ＰＣＴ／ＥＳ２００７／００００８９等多数）。これらの装置の主な欠点は、管路やオリフィスの大きさが十分でない限り、固体粒子が充満している液体または気体と共に使用した場合、簡単に詰まってしまうことである。この場合、曝気効率は大きく低下する。多くの下水処理プロセスにおいては、この問題を克服するために膜散気装置（membrane diffuser）が用いられている（例えば、ＵＳ２０１０１３３７０９、ＣＮ１０１３９７１６９、ＤＥ４２１１６４８等の特許を参照）。当該膜散気装置においては、可動式の膜（ダイヤフラム）中に作られた小さな複数のオリフィスを介して、空気、つまり酸素の噴射が行われ、気体の供給に失敗した場合、当該複数のオリフィスは塞がれる。しかし、これらの装置を使用して発生した気泡の大きさは、クロス−フロー式装置において発生する気泡のサイズよりも著しく大きい。これまで、膜に基づいたクロス−フロー式装置に関する発明が公開されてきたが（米国特許第３，５４５，７３１号等）、それにもかかわらず、こうした装置は、凝集現象が非常に起こり易く、最終的に大きな気泡を発生させてしまう。
【０００５】
気泡様式におけるオリフィスの出口にて発生した気泡の平均等価直径は、およそ以下のとおりである。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
上記の式において、Ｑgはオリフィスを介して噴射された気体流量であり、ｕlはジェット流の周りの液体の速さである。Ｃおよびａは試験的な２つの係数である。参考文献で報告されている羃指数ａの値は、１／３〜１／２の間である（P.F. Wace, M.S. Morrell y J. Woodrow 1987, Chemical Engineering Communications 62, pag. 93-106）。したがって、気泡の直径は、液流の流路面積によって決まるものではない。このため、液体の推進力の消費を最小化して、クロス−フロー式装置の効率を高めるためには、噴射部における主要な管路の横断面積を可能な限り小さくするべきである。
【０００８】
〔本発明の説明〕
本発明を使用することによって解決される技術的課題は、流れ（flow）において強い剪断領域を発生させることによって、小さな滴および小さな気泡の形成を可能とすることである。概念的な観点から、本発明は、他の手法を用いて生成した噴流または気泡からではなく、固定されたメニスカス（meniscus）から、小さな気泡が直接形成されるということをその本質的な利点として有している。これは、エネルギー効率を最大化するうえでの主要な特徴である。膜やセラミック散気装置を介して気泡を発生させるシステムとの関連で、本発明は、複数のオリフィスによって押し流された液流が気泡の大きさを実質的に小さくするという点で有利である。本発明は、可動膜またはダイヤフラムが、小さな粒子が引き起こす目詰まりを防ぐという点で、他のクロス−フロー式装置に有利である。
【０００９】
上述したように、本発明の目的は、液流内に滴および気泡を発生させる装置の提供である。小さな滴および小さな気泡を発生させるために一般的に使用されている手法のうち、本発明は、横断流において複数のオリフィスを介して噴射を行うという方法を採用している。その結果、通常、ミリメートルまたはマイクロメートルの範囲内の滴または気泡が形成されることになる。
【００１０】
気体（またはミシブル流体）が横断流において噴射された場合、メニスカス（meniscus）が、最終的にはオリフィスから分離するようである。この意味においては、提案する本手法は、ベンチュリ効果に基づく手法に類似している。ベンチュリ効果においては、さらに、噴射領域に隣接して位置する末広ノズルを介した流れに供給された運動エネルギーの一部が回収される。しかしながら、本明細書に開示されているクロス−フロー式装置は、本流中の液流が最小化されると共に、複数のオリフィスから分離する気泡が実質的に小さくなるので、エネルギー消費が大きく減少することを示しており、この点がメリットである。さらに、ダイヤフラムを介して噴射するので、装置内の固体粒子の蓄積が防止される。それゆえ、汚れた流体や高流速であっても作動することができる。
【００１１】
本システムを用いることによって、非常に小さな滴および気泡を発生することができる。主な制限となるものは、装置の製造コストのみである。さらなる利点としては、混合体が激しく撹拌され、その結果、相間での転移が実質的に増加することが挙げられる。推進液体（impulsion liquid）の流量、および分散される流体の流量は、調整弁を介して制御可能である。
【００１２】
水の酸化、つまり曝気の場合、１キロワット時あたりの溶存酸素が１０ｋｇを超える値の基準曝気効率（ＳＡＥ）に達することがある。このことから、液体中、または液体に類似するものの中の気体の効率的な溶解については、種々の用途の中でも、液体−気体化学反応、または液体−液体化学反応における反応速度を大きく増加させることが可能となる。
【００１３】
より具体的には、本発明の第１の態様においては、液体中に滴または気泡を発生させる装置は、液体が進入する第１管路を備え、該第１管路を介して、推進液体が圧力ＰOで供給され、第２気体供給管路を備えており、該第２気体供給管路を介して、分散される気体が圧力ＰGで圧力チャンバ内に供給され、上記の第１液体供給管路と上記の圧力チャンバとの間にダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムは、上記の分散される流体と、上記の第１管路を介して流れる上記の液体とを連通する複数の噴射オリフィスを有し、上記の複数の噴射オリフィスの間、すなわち、上記複数の噴射オリフィスの面における領域に流路域（passage section）を更に備え、上記噴射領域における横断面の面積は、２５ｍｍ2と噴射オリフィスの数とを掛け算した結果より小さく、これら全てが気泡同士の凝集を回避するように設けられている。
【００１４】
特定の実施形態においては、流束の縦方向における剛性の細長い複数の要素から成る流れ分離手段が設けられており、それによって、上記の液体は、上記のダイヤフラムが当接する剛性の細長い複数の要素に逆らって、複数の平行な縦長チャネル（parallel longitudinal channel）に沿って流れる。これは、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因する。
【００１５】
特定の実施形態においては、流れを分離する上記の複数の平行な縦長チャネルの少なくとも一部の上記噴射領域における横断面の面積の範囲は、０.００１ｍｍ2〜５ｍｍ2であって、この範囲の値は、実際には、最も有用な値である。なぜなら、機械化が可能であると同時に、流れの循環に目詰まりの問題を引き起こすほど小さくないからである。
【００１６】
上記の剛性の細長い複数の要素は、第１液体進入管路の壁に取り付けられ、当該壁は上記ダイヤフラムの反対側に位置している。上記の剛性の細長い複数の要素上に、上記の第１液体供給管路と、分散される流れを含んでいる上記圧力チャンバとを分離するダイヤフラムが支持されている。
【００１７】
第２の特定の実施形態においては、上記の流れ分離手段は、上記液体の流れの縦方向（流れの方向）に、上記のダイヤフラムに作られた多数の溝であって、これらの多数の溝は、複数の平行管路に上記の液体の流れを分割し、これは、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因する。
【００１８】
特定の実施形態においては、上記噴射領域における形状は、各一組の噴射オリフィスのそれぞれの中心を結ぶ直線と、上記の噴射オリフィスのいずれかから排出された気泡の経路とによって形成される角度によって画定され、さらに、上記の角度は１０度より大きい。
【００１９】
本発明の第２の態様においては、上述した装置に実施されるクロス−フロー式に気泡を発生させる方法は、第１液体流進入管路を介して、圧力Ｐoで推進液体を供給する工程と、第２気体供給管路を介して、圧力ＰGで分散される気体を圧力チャンバ内へ導入する第２工程とを備え、複数の噴射オリフィスを有するダイヤフラムを介して、上記の分散される流体と、第１管路を介して流れる上記の液体とが連通され、２５ｍｍ2と噴射オリフィス（８）の数とを掛け算した結果より小さい面積を有する横断面中に、上記の複数の噴射オリフィス（８）を介して噴射する工程を更に含み、気泡同士の凝集が回避される。
【００２０】
明細書の記載および請求項について、「〜を備えている（comprise）」という文言、およびその変形は、他の技術的特徴、付加、構成要素、または工程を排除しようとするものではない。当業者にとって、本発明の他の目的、利点、および特徴は、明細書の記載、および本発明を実施することでその一部が導かれるものである。下記の実施例、および図面は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。さらに、本発明は、本明細書に開示されている特定の実施形態と、好ましい実施形態との実施可能なあらゆる組み合わせを含んでいる。
【００２１】
〔図面の簡単な説明〕
次に、本発明をより理解するために提供されると共に、本発明の限定を加えない例示的な実施形態に特に関係している複数の図面が開示されている。
【００２２】
図１は本発明の目的である気泡発生装置の断面図である。より具体的には、図１は流れの縦方向（流れの方向）における上記装置の平均的な切断面に相当する。
【００２３】
図２は図１の装置の第２断面図であって、具体的には、気体を噴射するための複数のオリフィスが位置している領域内の流れの横方向（スパン（spanwise）方向）の切断面に相当する。
【００２４】
各図面で使用されている参照番号は下記の通りである。
【００２５】
１．液体が進入する入口。
【００２６】
２．気体が進入する入口。
【００２７】
３．液体中に分散される気体用の圧力チャンバ。
【００２８】
４．弾性膜（ダイヤフラム）。
【００２９】
５．気体漏れを防止するためにダイヤフラムが結合された剛性の壁。
【００３０】
６．液体中に分散された気体の出口。
【００３１】
７．気体を噴射するための複数のオリフィスが位置する切断面。上記の切断面は図２に対応する。
【００３２】
８．膜中の複数の噴射オリフィス。当該複数の噴射オリフィスを介して気体が噴射される。
【００３３】
９．液体の流れの縦方向（流れの方向）における、ダイヤフラムの位置を決定する複数の細長い剛性の要素。
【００３４】
１０．液体管路を封鎖する固体の壁。
【００３５】
１１．液体管路を分割する複数の狭い通路。
【００３６】
１２．図１のイメージに対応する平均的な切断面。
ＰO＝液体の推進圧力
ＰG＝気体チャンバ内の圧力
ＰS＝装置の出口の圧力
〔発明の詳細な説明および実施形態の実施例〕
本プロセスにおいては、通常は、重力の影響が無視できるので、本発明は、空気力学的抵抗力、表面張力、および慣性の間の均衡の結果として、オリフィスの出口にて固定されたメニスカスが形成されるということを仮定している。メニスカスは、幾何学的形状、および２つの流体の速度に基づいて解体され、滴または気泡状の小さな断片となって分離する。メニスカスが解体された場合、通常、直径が数百ミクロンの断片が作り出されるようにパラメーターの範囲（２つの流体の特性、オリフィスのサイズ、流量等に関連する一連の特定の値）が用いられる。その結果、上記の断片を実施可能な最小の大きさにすることが目標であるという場合も可能であるが、エネルギー効率を最大化することが目標であるという場合、当該エネルギー効率が最大となる。一方、効率を犠牲にして、その目標も達成することもできる。
【００３７】
気泡または滴の発生装置が通常動作を行うために、分散される液体流および気体流が一定に維持された。推進液体中の供給圧力Ｐoと、噴射部における圧力ＰIの関係は以下のとおりである。
【００３８】
【数２】
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【００３９】
上記の式において、ＡIおよびＡOは、それぞれ気体噴射および液体推進の領域における流路面積である。ρlおよびｕlはそれぞれ液体の密度と速度であり、よどみ圧の損失を回避するために、上記の面積の遷移は滑らかであると仮定されている（ベルヌーイ方程式）。さらに、気体の供給の際は、複数のオリフィスによって生じるヘッドロスを克服するために圧力ＰGを加えなければならない。
【００４０】
【数３】
2015529554.tif 000005
【００４１】
上記の式において、ｋgはオリフィスのヘッドロス定数であり（Idelchik, Handbook of Hydraulic Resistence, Hemisphere Pub. Corp., 1986）、ρgとｕgはそれぞれオリフィスにおける気体の密度と気体の速度である。圧力ＰIは吐出圧力ＰSに関係し、下記式によって算出される。
【００４２】
【数４】
2015529554.tif 000006
【００４３】
上記の式において、ρmおよびｕmはそれぞれ液体−気体混合体の密度および速度であり、ｋmは出口におけるヘッドロス定数である。これらの方程式は、分散される液体または気体の供給圧力（ＰG）と、ヘッドロスを受けた排出領域の圧力（ＰS）とを関連づけている。
【００４４】
このプロセスにおいては、エネルギー消費は、上記の２つの流体の推進力（表面張力、運動エネルギーの増加、およびビスコースの損失の増加（viscose dissipation）に用いられる）に関係し、そのため下記式によって算出することができる。
【００４５】
【数５】
2015529554.tif 000007
【００４６】
上記の式において、Ｑlは本流をもたらす液体流量であり、Ｑgは分散される気体または液体の流量である。この式においては、液体は圧力ＰSによって（任意のポンプシステムを使用して）再循環されると考えられ、気体は大気圧Ｐaによって圧縮されると考えられている。これまでの関係は、分散される気体または液体のエネルギー消費が、排出領域における圧力（ＰS）、および噴射におけるヘッドロスによって決定される一方で、液体の推進力に関係するエネルギー消費は、主要管路内の形状および速度に関係することを示している。
【００４７】
液体中における酸化、または気体の溶解に関する用途に関しては、１キロワット時あたりの溶存酸素（ｋｇ）における基準曝気効率（ＳＡＥ）を下記式から求めることが可能である。
【００４８】
【数６】
2015529554.tif 000008
【００４９】
上記の式において、Ｑgはｍ3／ｈ、ρgはｋｇ／ｍ3、および電力はｋＷで表される。αgは噴射された酸素に対する液体中の溶存酸素の割合であり、ＹO2は噴射された気体中の酸素の体積分率である（通常の条件下で空気の場合０．２１である）。αgの値は、発生した気泡の大きさおよび頻度によってのみ決まる。したがって、エネルギー効率を最大化するためには、得られる気泡の平均的な大きさを大きくしすぎることなく推進力の損失を減らさなければならない。その結果、αgの値が高くなる。
【００５０】
複数の噴射オリフィスから分離された気泡の大きさは、液体の流量ではなく、液体の速度によって決まることから、液体の速度を早い速度で維持すると同時に、液体の流量を減らすことが好都合である。これは、分散される流体の噴射領域における管路の流路面積を可能な限り減らすことによって実現することができる。分散領域における速度を高速にしすぎるべきではない。なぜなら、これは、装置の下流において運動エネルギーが失われることが重要であることを意味しているからである。
【００５１】
本装置の目的は、平均的な大きさが通常数ミリメートルの気泡を発生する既存の膜散気装置と比較して、より小さい大きさの気泡を得ることである。この目的のためには、横断的な液流（クロス−フロー）において排出するオリフィスを介して、噴射が行われるが、効率をさらに上げるためには、噴射領域の横断面を可能な限り小さくしなければならない。気泡経路間に干渉がないと共に、気泡の噴射オリフィスに関係のある面積が２５ｍｍ2であったならば、３ｍｍ未満の直径を有する気泡であれば主要管路内に十分な空間を有するであろう。したがって、本発明の目的である装置においては、噴射領域において平均的な横断面における流路面積は、２５ｍｍ2と噴射オリフィスの数との掛け算の結果より小さくなる。ダイヤフラムを介して噴射が行われる場合であって、分散される気体または液体を含んでいるチャンバ内の圧力が増加した場合、液体の上記の流路域は減少する。これによって装置の効率が改善されることになる。分散される気体または液体を含有するチャンバ内の圧力が安定している場合、または、ダイヤフラムが反対側の壁に支持されている場合、２５ｍｍ2とオリフィスの数との掛け算の結果である平均横断面の最大値が計測される。
【００５２】
装置内で発生した滴または気泡同士の凝集現象を防ぐためには、当該滴または気泡が、その出口に向かう動きに干渉しないことが必須の事項である。上記装置内の気泡の分散度は非常に低いので、２つのオリフィスを結ぶ直線と、当該オリフィスから排出される気泡の方向とによって形成される角度が１０グレード（直角の1００分の１の角度）を超える場合、凝集を引き起こす可能性が無視できる。
【００５３】
分散される気体（または分散される液体）が、弾性膜によって形成されたダイヤフラムを介して噴射される場合、噴射領域における平均流路域は気体供給圧力によって決まる。この噴射領域における流路面積を制御するためには、液体管路を複数の平行管路に分離するように、流れの縦方向（流れの方向）に伸びている複数の固体の要素を設けてもよい。その結果、ダイヤフラムが反対側の壁に当接するようになる。これは、分散される流体の入口の圧力と、装置の吐出圧力との間の差に対応する値に原因する。これらの分離器を上記ダイヤフラムの反対側の壁に当該壁の一部となるように結合してもよく、あるいは、液体管路の横方向のいずれの壁にも結合しなくてもよい。
【００５４】
＜発明の実施形態の実施例＞
本発明の実施形態が下記の各図面に示されている。これらの図面においては、推進液体の流量の供給と、分散される気体または液体の流量の供給とを装置は必要とする。具体的な用途の仕様に合うようにするために、システムを所定のパラメーターの範囲内になるように、各流量を適切なものにすべきである。求められる流量にとって流速が非常に高速となり、それゆえに、管路の流れに逆らう過剰な圧力の結果として効率が非常に低い場合、分散する流体を噴射するためのオリフィスの数と、上記の噴射領域における主要管路の横断面が増加する。さらに、推進力を有する液体を供給するために複数の平行の主要管路を用いようと思えば用いることができる。その場合、これらの管路においては、分散される気体または液体が複数のオリフィスを介して噴射される。
【００５５】
特定の用途（例えば、酸化、気体−液体化学反応器、または液体−液体化学反応器等）において、任意の手段によって、推進液体、および分散される気体または液体をより多い流量で供給してもよい。なぜなら、より多い流量で供給することによって、装置の動作が妨げられることがないからである。したがって、推進液体、および分散される気体または液体を供給する任意の方法（例えば、圧縮器、容積ポンプ、圧縮気体容器等）を用いることができる。
【００５６】
分散される流体の流量は、異なるオリフィス間で、できるだけ均一に分布されるべきである。そのためには、噴射オリフィスの大きさを最小にすること、または異なる供給地点間で均一に流量を分布させることができる他の方法が必要とされる。主に装置の特定の用途に応じて、複数の素材（金属、プラスチック、セラミック、ガラス）からアトマイザー（atomizer）が製造されてもよい。
【００５７】
図１および図２はプロトタイプの概要を示している。当該プロトタイプにおいては、推進液体が、圧力ＰOにて、液体の入口を介して管路（１）に導入されると共に、分散される気体が、圧力ＰGにて、気体供給管路（２）を介して圧力チャンバ（３）に導入される。上記の圧力チャンバは、気体漏れを防ぐように、管路（２）、弾性膜またはダイヤフラム（４）、および当該ダイヤフラムが結合される剛性の壁（５）によって制限されている。本プロトタイプにおいては、排出地点（６）の圧力ＰSより５ミリバール〜２バール高い気体供給圧力が使用された。液体／気体流量間の比率を確実に一定にするために、気体噴射システムのヘッドロスに応じて、膜中に複数の切り込み（８）が位置している噴射断面（７）における液体の圧力よりも、上記の気体供給圧力を常にわずかに高くしておくべきである。
【００５８】
図２に示されているように、本プロトタイプにおいては、液体の流路域を確実に最小にするために、上部壁（１０）に結合されると共に、液体の流れの縦方向（流れの方向）に延びている複数の固体の要素（９）が設けられ、それによって、狭い縦長のチャネル（１１）に沿って水が流れるようになる。この図面は、図１のイメージに対応する切断面（１２）の位置も示している。
【００５９】
圧力チャンバが噴射オリフィスと比較して十分に大きい限り、本プロトタイプの他の寸法は、どのような場合であっても、気泡の発生に影響しない。液体管路の両端部がどのように閉じられるか（当該両端部において、ダイヤフラムが反対側の壁に固定されなければならない）については、装置の動作に関係しないため正確に説明していない。同様に、分散される流体のチャンバがどのように閉じられるかということも装置の動作に関係しない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は本発明の目的である気泡発生装置の断面図である。より具体的には、図１は流れの縦方向（流れの方向）における上記装置の平均的な切断面に相当する。
【図２】図２は図１の装置の第２断面図であって、具体的には、気体を噴射するための複数のオリフィスが位置している領域内の流れの横方向（スパン（spanwise）方向）の切断面に相当する。
【図１】
2015529554.tif 000009
【図２】
2015529554.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月31日(2015.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
より具体的には、本発明の第１の態様においては、液体中に滴または気泡を発生させる装置は、液体が進入する第１管路を備え、該第１管路を介して、推進液体が圧力ＰOで供給され、第２気体供給管路を備えており、該第２気体供給管路を介して、分散される気体が圧力ＰGで圧力チャンバ内に供給され、上記の第１液体供給管路と上記の圧力チャンバとの間にダイヤフラムが設けられ、該ダイヤフラムは、上記の分散される流体と、上記の第１管路を介して流れる上記の液体とを連通する複数の噴射オリフィスを有し、上記の複数の噴射オリフィス（８）の間、すなわち、上記複数の噴射オリフィスの面における膜と剛性の壁（１０）との間に流路域（passage section）を更に備え、上記噴射領域における横断面の面積は、２５ｍｍ2と噴射オリフィスの数とを掛け算した結果より小さく、これら全てが気泡同士の凝集を回避するように設けられている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
特定の実施形態においては、剛性の壁（１０）に本質的に垂直である細長い複数の要素（９）、または複数の平面の壁から成る流れ分離手段が設けられており、それによって、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の液体は、上記のダイヤフラムが当接する剛性の細長い複数の要素に逆らって、複数の平行な縦長チャネル（parallel longitudinal channel）に沿って流れる。これは、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
特定の実施形態においては、流れを分離する上記の複数の平行な縦長チャネルの少なくとも１つの上記噴射領域における横断面の面積の範囲は、０.００１ｍｍ2〜５ｍｍ2であって、この範囲の値は、実際には、最も有用な値である。なぜなら、数ミリメートル〜百ミクロンの大きさを有する気泡を発生することができると同時に、流れの循環に目詰まりの問題を引き起こすほど小さくないからである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
第２の特定の実施形態においては、上記の流れ分離手段は、上記液体の流れの縦方向（流れの方向）に、上記のダイヤフラム（４）に予め形成された多数の溝であって、これらの多数の溝は、複数の平行管路に上記の液体の流れを分割すると共に、上記のダイヤフラムの反対側の上記剛性の壁に接触し、気体を噴射するための上記複数のオリフィスがその内部に位置しており、上記のダイヤフラムが上記第１管路の中心に向かって変形すると、上記の分散される流体の入口における圧力（ＰG）と、上記装置の吐出圧力（ＰS）との差に対応する値に原因する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
特定の実施形態においては、上記噴射領域における形状は、各一組の噴射オリフィスのそれぞれの中心を結ぶ直線と、上記の噴射オリフィスのいずれかから排出された気泡の経路の正射影とによって形成される角度によって画定され、さらに、上記の角度は１０度より大きい。上記気泡の経路は上記のダイヤフラムに垂直に流出されずに、上記のダイヤフラムに本質的に平行な経路に沿っている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
８．膜中の複数の噴射オリフィス。当該複数の噴射オリフィスを介して、流体が流れる方向に対して垂直な線に沿って、気体が噴射される。
【国際調査報告】
2015529554.tif 000011
2015529554.tif 000012
2015529554.tif 000013
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