(57)【要約】少なくとも１つの溶存ガスを含んでいる流体にガスを溶解させる装置１０。その装置は、第１の内部空間３２を画定する第１の鉛直に向けられた管２と、第２の鉛直に向けられた管１２を有する。第１と第２の管の間の空間は第２の内部空間４０である。ガスは入口１８を通して第２の内部空間４０に導入される。装置１０は、第２の内部空間４０を通る流体の流れを加速するための加速手段２０を備えている。装置は、流体へ気泡が溶解される可能性を高めるために、流体から逃げる（溶解しない）気泡を取り出して第２の内部空間４０に戻すための螺旋状気泡収集器２２を備えている。
2004510567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中にガスを溶解させる装置であって、この装置は、
開放上端及び開放下端を有し、内部に第１の内部空間を画定する実質的に鉛直な第１の円筒状管部材と、
開放上端と閉鎖下端を有し、前記第１の管部材より大きな直径で前記第１の管部材と実質的に同心状に配向して位置決めされた実質的に鉛直な第２の円筒状管部材を備え、この第２の管部材と前記第１の管部材とは第１の管部材の外側で且つ第２の管部材の内側に第２の内部空間を画定し、
前記第２の内部空間内に前記ガスを導入するために、前記第２の管部材の下端より上方に配置され、ガスの供給部に接続された入口手段と、
前記入口手段の上方に配置され実質的に水平に向けられると共に第２の内部空間に渡って広がり、通過する流体を加速するための第１の加速手段と、
上下端を有し前記第２の内部空間内に配置される第１の螺旋状気泡収集器とを備え、前記収集器の下端は前記第２の管部材の下端より上方で前記第１の管部材の下端より下方に配置され、前記第１の収集器の上端は前記加速手段の下方に配置されていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項２】
請求項１の装置は、更に、
開放上端と開放下端を有する第３の円筒状管部材を備え、この第３の管部材は前記第２の内部空間内に実質的に鉛直に向けて配置され、第３の管部材の下端は前記第１の管部材の下端に近接すると共に第３の管部材の上端は前記第１の収集器の上端の上方で且つ前記第１の加速手段の下方に配置されていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記第３の管部材は更に、前記第１の収集器の近傍に少なくとも１つの開口を有していることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置は、
更に、廃棄ガスのための第１の出口手段を備え、この第１の出口手段は前記第２の内部空間内の前記第１の収集器の上方で且つ前記第１の加速手段の下方に位置決めされた第１のベント手段を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記第１の出口手段は、更に、前記第１のベント手段に近接し前記第２の管部材を通って延びる出口管を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
前記第１の加速手段は、少なくとも１つの開口を有するドーナツ状板を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置は、更に、
上下端を有し、その下端が前記第１の加速手段の上方に位置決めされ、前記第２の内部空間内に配置される第２の螺旋状気泡収集器と、
通過する流体を加速するための第２の加速手段とを備え、この第２の加速手段は実質的に水平に向けられると共に第２の内部空間にわたって広がり、前記第２の収集器の上端の上方に配置されることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項８】
請求項７記載の装置は、更に、
廃棄ガスのための第１の出口手段を備え、この第１の出口手段は第１のベント手段と第１の出口管部材を備え、前記第１のベント手段は前記第１の収集器の上方で且つ前記第１の加速手段の下方に位置決めされ、前記第１の出口管部材は前記第１のベント手段に近接して前記第２の管部材を通り前記第２の管部材の外側に上方を向いて延び、更に、前記第２の収集器の下端の下方で第２の管部材を通り前記第１の管部材に沿って上方に向いて前記第２の内部空間内を通り、前記第２の収集器の上方で且つ前記第２の加速手段の下方の開口部で末端となっていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項９】
請求項８の装置において、
前記第１の出口管部材は、前記第２の収集器に近接した少なくとも１つの開口を有することを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１０】
請求項８記載の装置は、更に、
廃棄ガスのための第２の出口手段を備え、この第２の出口手段は前記第２の内部空間内の前記第２の収集器の上方で且つ前記第２の加速手段の下方に位置決めされた第２のベント手段を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、前記第２の出口手段は更に前記第２のベント手段に近接して前記第２の管部材を通って延びる第２の出口管部材を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１２】
請求項７記載の装置は、更に、
内部に流体を収容するタンクと、
前記第２の管部材の上端で前記第２の内部空間に動作可能に接続され、前記タンクから装置に流体を移動させるタンク出口手段と、
前記第１の管部材の上端で前記第１の内部空間に動作可能に接続され、前記装置からタンクに流体を移動させるタンク入口手段とを備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置は、更に、前記タンク出口手段を通して流体を押し出す手段を備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１４】
請求項１記載の装置において、流体は水であることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１５】
請求項１４の装置において、ガスは酸素であることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１６】
請求項１４の装置において、流体は溶解した窒素ガスを含んでいることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１７】
流体中にガスを溶解させる装置であって、この装置は、
流体を受け入れるための入口手段と、
流体中へガスを導入するためのガス入口手段と、
開放上端と少なくとも１つの開口を備えた閉鎖下端とを有し、前記ガス入口手段に動作可能に接続される気泡接触チャンバと、
前記チャンバの下端の少なくとも１つの開口の近傍に位置する出口手段と、
前記入口手段に近接して前記チャンバの上端に位置決めされ、通過する前記流体を加速するための加速手段と、
前記チャンバの下端に配置される螺旋状気泡収集器と、
チャンバ内に配置され鉛直方向に向けられ前記収集器を通って延びる実質的に円筒状の管部材とを備え、この管部材はチャンバの下端に近接してチャンバの第２の部分内に配置された開放下端と、チャンバの第１の部分内の開放上端と、前記収集器に近接してチャンバの第２の部分内に配置される少なくとも１つの開口とを備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１８】
請求項１７の装置において、前記チャンバは第１の部分と第２の部分を備え、前記第１の部分は前記入口手段から始まり概ね広がってゆく内面を有し、前記第２の部分は前記第１の部分とチャンバの下端の間に位置し実質的に円筒状であることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項１９】
請求項１７の装置において、前記加速手段は少なくとも１つの開口を有して実質的に水平方向に向けられた板を備えることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項２０】
流体中にガスを溶解させる装置であって、この装置は、
流体及びガスの導入のための入口系と、内部にガスが溶解した流体を放出するための出口系を有するＵ字状管と、
長手軸を有して前記Ｕ字状管の入口系に配置される螺旋状の気泡収集器と、
前記収集器の長手軸に近接して配置され、少なくとも１つの開口を有する気泡戻り管とを備えていることを特徴とするガス溶解装置。
【請求項２１】
流体中の気泡を捕獲するための装置であって、この装置は、
移動する流体と気泡とを内部に収容するチャンバと、
長手軸を有して前記チャンバ内に配置される螺旋状気泡収集器と、
前記収集器の長手軸に近接してチャンバ内に配置され、少なくとも１つの開口を有し、チャンバ内に１つの開放端を有する気泡戻り管を有することを特徴とする気泡捕獲装置。
【請求項２２】
流体中にガスを溶解させる方法であって、この方法は、
前記請求項１の装置を用い、
前記第２の内部空間内を前記第１の加速手段を通して流体を流下させ、
ガスの気泡が前記第１の収集器に向かって流下し、ガスの少なくとも一部が流体内に溶解するために気泡が流体に接触し続けるように、前記ガス入口手段を通してガスを導入し、
前記第１の内部空間内を通して溶解ガスを含んだ流体を上方に流すステップとを含むことを特徴とするガス溶解方法。
【請求項２３】
流体中にガスを溶解させる方法であって、この方法は、
前記請求項３の装置を用い、
前記第２の内部空間内を前記第１の加速手段を通して流体を流下させ、
前記ガスの気泡が前記第１の収集器に向かって流下し、気泡の多くの部分が流体内に溶解するために流体に接触し続けるようにし、且つ、溶解しなかった気泡が前記第３の管部材の少なくとも１つの開口に入り、第３の管部材の上端における第２の内部空間内の流体内に再度入れるように前記入口手段を通してガスを導入し、
前記第１の内部空間を通して溶解ガスを含んだ流体を上方に流すステップを含むことを特徴とするガス溶解方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの溶存ガスを含む流体中にガスを溶解させる方法であって、この方法は、
前記請求項１０の装置を用い、
前記入口手段を通して前記ガスを導入し、
前記第１の出口手段を通して少なくとも１つの溶存ガスを出し、
前記第２の加速手段，第２の収集器，第１の加速手段及び第１の収集器を通して流体を流して、流体への吸収のために第１及び第２の収集器においてガスの気泡の大部分が流体に接触し続け、そして、溶解しなかったガス及び／又は不溶解の原因となる少なくとも１つの溶存ガスのいずれかが第１の出口手段或いは第２の出口手段から排出されるようにし、
溶存ガスを含んでいる流体を前記第１の内部空間を通して上方に流すステップとを含むことを特徴とするガス溶解方法。
【請求項２５】
流体中にガスを溶解させる方法であって、この方法は、
前記請求項１７の装置を用い、
入口手段を通して流体及びガスを導入し、
流体中に溶解させるために気泡の一部が流体と接触し続けるように収集器に向かってガスの気泡が降下するように、前記流体を流下させると共に前記加速手段を通過させ、
前記溶存ガスを含んでいる前記流体を出口手段を通して流下させるステップとを含むことを特徴とするガス溶解方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法において、更に、
前記収集器において流体中に溶解しなかったガスの気泡の一部を再度チャンバ内に入れるために、管部材の少なくとも１つの開口及び管部材の開放上端を通して気泡を通過させるステップを含むことを特徴とするガス溶解方法。
【請求項２７】
流体中のガスの気泡を捕獲する方法であって、その方法は、
前記請求項２１の装置を用い、
前記チャンバ内の流体及びガスの気泡を前記収集器を通して移動させ、
収集器によって気泡の少なくとも一部を捕獲し、
捕獲した気泡を気泡戻り管の開放端を通してチャンバに戻すために、捕獲した気泡を前記気泡戻り管の少なくとも１つの開口に入れるステップを含むことを特徴とするガス気泡捕獲方法。
【請求項２８】
請求項２７の方法において、装置は更に、前記チャンバからの出口手段を備え、前記捕獲された気泡はチャンバに戻され及び／又は前記出口手段を介して装置から出すことを特徴とするガス気泡捕獲方法。
【請求項２９】
流体にガスを溶解させる方法であって、その方法は、
前記請求項２１の装置を用い、前記チャンバからの出口手段を備え、
前記ガスの気泡がチャンバ内で形成されるようにガスをチャンバ内に導入し、
前記流体と気泡とを前記収集器を通してチャンバ内に流し、
前記気泡収集器で気泡の少なくとも一部を捕獲し、
前記捕獲された気泡を気泡戻り管の開放端を通して前記チャンバに戻すため或いは捕獲された気泡を出口手段から出すために、気泡を気泡戻り管の少なくとも１つの開口に入れ、
捕獲された気泡が少ない流体を出口手段を通して流すステップを含んでいることを特徴とするガス溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、流体中にガスを溶解させる装置及び方法に係り、特に、他の溶存ガスを含んでいる流体にガスを溶解させる装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既に他の溶存ガスを含んでいる流体に、ガス（可溶性又は不溶性に関わらず）を溶解させることが望ましい例は多くある。例えば、全ての川、湖、海及び全ての好気性廃水処理プロセス中の非顕微的生物（ｍａｃｒｏ ｏｒｇａｎｉｓｍ）及び微生物は、それらの生命プロセスを維持するための十分な溶存酸素の存在を基本としている。通常、平穏な（ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ）水域では、表層水中の非顕微的生物及び微生物の密度はどちらかといえば低く、空気から水への自然かつ限られた酸素吸収であっても、水域の生命プロセスを維持するのに足りる水中溶存酸素濃度を維持するためには十分である。しかし、人口密度及び産業活動の増加に伴い、これらに関連する有機水質汚染は、自然の酸素曝気プロセスでは十分な酸素資源を提供できないような、高い微生物による酸素需要を生じさせてしまう。従って、人工的な曝気機構が、酸素吸収を高めるために必要とされている。
いくつかの具体的な酸素供給（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）の応用例が議論に値する。好気性廃水処理施設における臭気は、十分なレベルの溶存酸素（「Ｄ．Ｏ．」）を維持できないことに伴うものである。十分なＤ．Ｏ．が無い場合には、硝酸塩はＮ２ガスに還元される。Ｄ．Ｏ．及び硝酸塩の両方が無い場合には、強度な還元状態が進展し、硫酸塩が悪質なガス（ｒｏｔｔｅｎ ｅｇｇ ｇａｓ）としても知られるＨ２Ｓに還元される。このプロセスは、酸素需要がＤ．Ｏ．供給を超えるあらゆる水生システムにおいて生じ得る。
【０００３】
自治体の下水道リフト・ステーション（ｌｉｆｔ ｓｔａｔｉｏｎ）における廃水中の激しい有機汚染は、それに対応する多くの微生物集団を支え、このため、需要に見合う多大な割合のＤ．Ｏ．が必要となる。需要が満たされない場合には、Ｈ２Ｓの形成が生じ易くなる。その結果、下水道の加圧主管（ｆｏｒｃｅ ｍａｉｎ）は、自治体の公共事業の際の厄介な臭気の共通の源となってしまう。
一部の産業界（例えば、製薬、石油及び化学）では、従来の曝気システムを使用して廃水を好気的に処理する過程で重大な空気汚染問題を引き起こす。廃水は、相当な揮発性の有機物／溶剤を含んでおり、これらは水相として十分な時間の間維持されると生分解され易い。従来の曝気システムを使用するためには、空気排出規制を満たすために、廃水曝気溜池（ｂａｓｉｎ）を覆って排気を捕捉しオフガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）を焼却（ｉｎｃｉｎｅｒａｔｅ）する必要があった。従来の曝気システムでは、有機物／溶剤が水相から揮散（ｓｔｒｉｐ）し易く、液体中で生分解するための十分な時間を与えられないために、溜池を覆うことが必要である。
【０００４】
好気性活性汚泥処理プロセスは、酸素移動及び汚泥沈降、ならびに二次浄化器における再循環（ｒｅｃｙｃｌｅ）に依存する。酸素移動が制限因子となるまでは、好気性流動床及び移動床フィルタを使用すること等により、反応器内で高濃度な汚泥濃度を進展させることが可能である。特に、バイオフィルムをはさみとったり、又は二次浄化器における綿状沈殿（ｆｌｏｃｃｕｌｅｎｔ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を妨害し得るような高エネルギ消費／乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）状態に汚泥を置くこと無く、高レベルのＤ．Ｏ．が必要である。
魚の養殖及びエビ生産は大きい池で行うことが多い。生産性を最大にするために、池はＤ．Ｏ．の利用有効性（ａｖｉｌａｂｉｌｉｔｙ）のぎりぎりで稼動されている。静止した池はほんの僅かな酸素しか吸収しないので、高レベルの魚／魚介類生産を維持するためには人工的な曝気の必要がある。
溶存酸素レベルを高めるという要求は、ゆっくりと流れる川（オハイオ州クリーブランドを流れるカイヤホガ川、並びにバンコク及びタイペイの川等）、ならびに運河（イリノイ州シカゴの水路、及びアムステルダムの運河等）にも当てはまる。多くの産業では、処理した廃水を排出する川、小川及び運河のＤ．Ｏ．が十分でないために、生産を（相当な経済上の損失が出るほど）削減しなければならない。臭気及び腐食の問題も、層状（ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ）の湖水、及び水力発電ダムに供給する貯水池の底層において生じ得る。また、低いＤ．Ｏ．レベルは、魚を殺してしまう。
【０００５】
ガスを流体に溶解させるためのシステムは、酸素を水中に溶解することに限定されない。他のガス／流体の組合せとしては：植物油への水素添加、石炭の液化、酵母生成、ビタミンＣ生成、製薬及び産業好気性バイオプロセス（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｅｒｏｂｉｃ ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ）、ならびに当該分野で周知の他のプロセスが挙げられる。
従って、他のガスが溶解している可能性がある流体中にガスを溶解させる装置及び方法であって、少なくとも以下のような場面に適用できるものを提供することが望まれる。
・ゆっくりと流れる川及び運河
・貯水池
・魚，エビ，魚介，及び／又は貝用の池
・好気性廃水処理システム
・下水道リフト・ステーション
・製薬，石油，及び化学産業等の廃水を伴なう産業
・曝気された沼
・植物油への水素添加
・石炭の液化
・酵母生成
・ビタミンＣ生成
・製薬及び産業好気性バイオプロセス
・水及び他の液体のオゾン処理
・体内に注入する液体へのキセノン溶解
・Ｄ．Ｏ．過飽和される眼洗浄液の過飽和
【０００６】
従来の曝気システムは、気泡空気を曝気タンクの底のディフューザを通過させるか、空気と接触するように水を撥ね上げるかのどちらかである。これらのシステムは、典型的には１ｋＷ時のエネルギ消費当たり、約０．４５〜０．９０ｋｇ（１〜２ｌｂｓ）の酸素を吸収させる。酸素吸収効率は、このようなシステムにおいては、空気は自由に手に入るので一般的に問題とならない。このようなシステムは、水中のＤ．Ｏ．が零に近い時に最も効率が良く、海面における２０℃での水中Ｄ．Ｏ．レベルが飽和値、例えば９．２ｐｐｍに近づくに従って徐々に効率が低下する。曝気プロセスで使用される酸素は空気から取り込まれるので、従ってコストがかからず、そのようなシステムのコストは投資コスト及び運用コストから発する。１日あたり１ｔのＤ．Ｏ．を溶解できる水面曝気機の投資コストは、約４０，０００ドルである。その曝気機のための電力コストは、Ｄ．Ｏ．１ｔ当たり７０〜１４０ドルである。もし、投資コストが１０年間にわたり８％で分割償却されるとしたならば、合計コストはおよそＤ．Ｏ．１ｔ当たり８７〜１５７ドルになる。
コストに加えて、従来の曝気システムにはそのほかの不利な点や欠点がある。これらの欠点としては、（ａ） １〜３ｐｐｍ程度の低い達成可能Ｄ．Ｏ．濃度、（ｂ）多量のオフガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）生成、（ｃ）空気への揮発性有機汚染物質の揮散、（ｄ）反応器における高いエネルギ消費、（ｅ）綿状沈殿物せん断、（ｆ）限られたＤ．Ｏ．供給可能性などである。
【０００７】
Ｄ．Ｏ．レベルを上昇させるために、自由に手に入る空気を使用する従来のシステムに代わり、施設で酸素を生成し若しくは貯蔵し、この生成若しくは貯蔵された酸素を水中に溶解させるシステムが現在存在している。これらのシステムのいくつかは、従来の曝気システムと同等に経済的である。これらのシステムのいくつかは、従来の曝気システムの欠点のいくつかに取り組んでいる。しかし、これらのシステムはそれ自身欠点を有している。
例えば、高純度酸素が水中に移動させられる時に、既に水に含まれている溶存窒素（Ｄ．Ｎ．）の取り扱いの問題が生じる。Ｄ．Ｎ．は水生環境では役に立たないものである。空気は本来的に２１％の酸素及び７９％の窒素ガスからなる。水が空気と長い期間にわたり接触する場合、水はＤ．Ｎ．で飽和化される。３０℃においては、水中のＤ．Ｎ．の飽和濃度は１６ ｍｇ／Ｌである。従来の曝気システムでは、Ｄ．Ｎ．レベルは安定状態に留まる。しかし、高純度酸素が水に導入されると、Ｄ．Ｎ．分圧が低下してＤ．Ｎ．が溶存相から気相に揮散し、これにより気相における酸素組成の割合が低下する。酸素組成の割合の低下は、気相中の酸素の分圧及び酸素の飽和濃度を低下させ、最終的に酸素移動率（ｒａｔｅ）を低下させてしまう。
【０００８】
従って、入ってくる水の中のＤ．Ｎ．の存在は、トレードオフ状態をもたらす。即ち、高い酸素吸収効率が達成される場合には、気相中で高い窒素ガス組成が許容されなければならない。これは、排出流において達成され得るＤ．Ｏ．濃度を低下させてしまう。逆に、排出流において高いＤ．Ｏ．レベルが達成される場合には、気相中の揮散窒素を減らすために廃棄してその組成割合を低下させなければならず、これには相応の割合の酸素ガスが伴い、酸素吸収効率割合が低下してしまう。
従って、既に水中に存在しているＤ．Ｎ．のレベルをうまく扱える酸素供給システムを開発することが望まれ、これは可能性のある高いＤ．Ｏ．飽和を許容するためにＤ．Ｎ．濃度を低下させる（窒素ガスと酸素ガスの全気体組成＝１００％）。更に、Ｄ．Ｎ．が低減されれば、排出流における高い飽和Ｄ．Ｏ．の泡立ち損失は防げるものである。もちろん、これらの原理は、水中に溶存酸素以外の溶存ガス（溶存窒素）を含んでいる流体にガスを溶解させる場合にも適用可能である。
従来技術のシステムの他の問題点は、水に酸素（空気）気泡を接触させるための長い時間（一般的に１００秒を超えることが望ましい）を提供するためのシステムの能力である。気泡の長い時間の接触は、高い酸素吸収効率を確保するのに役立つ。更に、水中の気泡、即ち多数の酸素気泡は、より高い割合の酸素吸収効率のために制御されるべきものである。従って、システム内の気泡を十分に利用し、装置の酸素吸収効率を高めるためにこれらの気泡と水との接触時間を長引かせる酸素供給システム及び方法を提供することが望まれる。
【０００９】
空気ではなく酸素を使用するシステムに関しては、高純度酸素が液体酸素の形で施設に運搬され、連続的に気体酸素に変換されて酸素供給装置へ供給されることは周知である。これに代わり、１日当たり４０ｔ以上の酸素要求量のために、極低温分離法を使用した施設内生成システムが実用化されている。施設に運搬される液体酸素のコストは、施設の仕様条件の予想外の変更（ｖａｇａｒｉｔｉｅｓ）や競合する地域供給業者の数やその他の要素によって変動する。従って、例えば運搬される液体酸素のコストはひどく高いものになるかもしれない。
極低温システムを使用して生成される酸素では、酸素は液体又は気体の形態のどちらかで生成できる。酸素が、生成されるのと同じ割合で使用される場合、気体の形態で生成する方が費用は安いので、気体の状態が望ましい。しかし、生成された酸素が直ちに使用されない場合には、貯蔵には通常液体状態での生成を要求し、製造及び二重壁液体酸素貯蔵タンクの必要性の両方により、生成される酸素のコストを著しく増大させる。
【００１０】
他の施設内生成システムとしては、パルス揺動吸収（Ｐｕｌｓｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＰＳＡ）方法が知られており、これは分子ふるい（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅｓ）で満たされた圧力容器を用いる。そのＰＳＡ装置への供給のためには標準的な空気コンプレッサが使用され、純度が９０〜９５％の酸素が生成される。出口圧力は空気コンプレッサの圧力に関連しており、これはＰＳＡシステムの運用における主要なコスト要因となる。従って、できるだけ低いＰＳＡ出口圧力を用いることが望まれる。自由に手に入る空気に基づかない利用可能な酸素供給源の観点では、ＰＳＡシステムを使用することが望ましい。
水への酸素溶解は、酸素／水接触器（気泡群）での高圧力によって高められる。しかし、もし酸素／水接触器中に水を押し込まなければならない場合には、単位エネルギ消費は法外となる。なぜなら、水が接触器から放出された時にこのエネルギを経済的に回収する方法が無いからである。しかし、もし酸素／水接触器が地面より下に配置され、静水圧で加圧された場合には、その水は無視できるようなエネルギ（摩擦損失のみ）で接触器に流入しそして排出される。また、圧力を維持する加圧のためのエネルギ消費を伴うことなく、酸素の移動は著しく向上する。
【００１１】
全体的に見て、流体内にガスを溶解させる装置及び方法として、（ａ）少ない投資コスト、（ｂ）少ない運用コスト（ｋＷｈｒ／溶解ガス１ｔ）、（ｃ）高いＤ．Ｏ．濃度での排出、（ｄ）高い酸素吸収効率、を有する装置及び方法を提供することが望ましい。理想的には、システムは少なくとも３０ｍｇ／ＬのＤ．Ｏ．の排出流を生成でき、少なくとも８０％の酸素吸収効率を有し、妥当な投資コストと低い単位運用コストを完全に達成できるものであるべきである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、他の溶存ガスを含むか又は含まない流体に気体（可溶性又は不溶性にかかわらず）を溶解させる装置及び方法である。例えば、本発明は水（水は溶存窒素を含む）に酸素を溶解させる等の、酸素供給システムとして使用される。
一実施形態において、装置は、入口，出口，気泡接触チャンバ，加速手段，螺旋状気泡収集器，及び気泡戻り管を備える。入口は、不要な溶存ガスを含む流体を受け入れるものであり、装置の上部に配置されている。入口の近くで気泡接触チャンバの上部には、チャンバに向かって通過する流体を加速するための加速手段が配置されている。加速手段は、チャンバの上部全体にわたって広がり水平に向けられ、少なくとも１つの開口を有する板からなる。チャンバは２つの部分からなる。上側部分は、一定又は概して広がってゆく内面を有する。下側部分は、少なくとも１つの開口を有する閉鎖下端を備えた実質的に円筒状である。溶解されるべきガスの導入のための入口は、チャンバに接続されている。出口は、チャンバの下端の少なくとも１つの開口に動作可能に接続されている。チャンバの下方部分に置かれているのは螺旋状気泡収集器である。装置の気泡戻り管は鉛直に向けられ円筒状である。気泡戻り管は、チャンバの下方部分において開放下端を、チャンバの上方部分で開放上端を、そして収集器に近接してチャンバの下方部分に位置する少なくとも１つの開口を有する。
【００１３】
本実施形態の動作の間、流体は入口に入り加速手段を通って流れる。加速された流体は、気泡の大きさを小さく維持するための乱流を生じさせる。この乱流無くしては、気泡群は合体してつぶれてしまい、酸素吸収割合が大きく低下してしまう。収集器は、気泡が上昇し螺旋状収集器の下面に付着できるように、流体の流れを水平成分に変換する。それから、気泡は重力により上方に向かって流れ、螺旋において遠心力により内側に流れる。気泡は、管に形成された少なくとも１つの開口を通して気泡戻り管に流れこみ、再利用のためにチャンバへ流れ込む。出口を出るのは高い濃度の溶存ガスを含み気泡が全く無い流体である。
本発明の装置の他の実施形態では、第１及び第２の鉛直円筒管は同心状に配向され、第２の管の内部に第１の管がある。第１の管の内側の空間は第１の内部空間であり、これは溶存ガスを含んだ流体が装置の上方に向かって流れ出るための空間である。第２の内部空間は、第１及び第２の管の間の空間であり、これを通って流体と溶解されるガスが装置に入るための空間である。
【００１４】
本発明の２つの代替案が開示される。第１の代替案としては、装置の底の近傍に配置された加速手段，入口，螺旋状気泡収集器及び気泡戻り管との組み合わせである。この組み合わせはガス溶解器として引き合いに出され、既述した実施形態と同様に動作する。簡単に言うと、流体は第２の内部空間内で加速手段を通過する。ガスは、加速手段の直下で第２の内部空間内に導入され、気泡及び流体は第２の内部空間内を下方に向かって流れる結果となる。収集器において、気泡は第２の内部空間へ戻される。溶解ガスを含んだ流体は、第１の内部空間を通って上方に流れ出る。
第２の代替案としては、装置の上部近傍に配置される加速手段，収集器，及び気泡戻り管の組み合わせである。この組み合わせは、溶存ガス揮散器として引き合いに出される。装置は、装置の下方の酸素ガス吸収器からの廃棄ガスを受け取るための手段も備えており、ガス溶解器の近傍に配置された第１のベントと，廃棄ガス管と，第２の収集器の上方に配置された第２のベントとを有している。廃棄ガス（流体中に当初溶存した状態のガスから後に溶解ガスと置き換わるガス）は、溶解したガスの状態から出て、第１のベントと廃棄ガス管を通って溶存ガス揮散器の気泡管に入る。溶存ガス揮散器において、廃棄ガスは第２のベントを通って装置を出る。
【００１５】
溶存ガス揮散器の機能は、装置の上部での気泡群における低い圧力によって向上し、酸素吸収機能は装置の下部での高められた静水圧によって向上する。
本発明の装置の更に他の実施形態において、収集器及び気泡戻り管はＵ字管酸素供給機の入口側の下部の近傍に配置される。収集器及び戻り管の使用は、より効率的な移動をもたらす。従って、この改良されたＵ字管酸素供給機は、従来のＵ字管酸素供給機のような深さは必要としない。
本発明の装置及び方法は、酸素供給に使用される多くのシステムに比較して、例えば製造，設置，保守及び運転するのに費用があまりかからない。この装置及び方法は、他の溶存ガスを含み又は含んでいない流体にガスを溶解させるために使用される。これは、ゆっくり流れる川や運河，貯水池，魚／魚介／貝養殖池，好気性廃水処理システム，下水リフトステーション（ｌｉｆｔ ｓｔａｔｉｏｎ），廃水を伴なう産業への応用，沼その他などのような、酸素供給が求められる場合への応用がある。
【００１６】
また、これは水への酸素供給に限定されるものではなく、他のガスを溶解させる応用例にも適用できる。
本発明はまた、流体へのガスの吸収における高い効率を実現する。揮散器を有する実施形態が使用される場合、この効率は更に上昇する。装置は、静水圧が与えられた場合だけでなく、下水道加圧主管の初期段階のような流体への応用にも使用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の装置の一実施形態の側面図であり、その中の外側管部材は装置の構成要素を図示するために透明にしてある。この実施形態において、装置１０は水に酸素を供給するために用いられる。なぜなら、水は溶解酸素によって置換される溶存窒素を含んでおり、装置１０は窒素ガスの除気（揮散）をも可能にするからである。
装置１０は第１の管部材１２，第２の管部材１４，第３の管部材１６，ガス供給入口１８，加速板２０，気泡収集器２２，廃棄ガスベント２４及び廃棄ガス管２６を備えている。第１の管１２の上端２８及び下端３０の両方は開口されている。第１の管１２の上端２８と下端３０の間の内部は、第１の内部空間３２を画定している。第１の管部材１２は、実質的に鉛直方向に向けられており、流体を通さない材料で構成されている。例えばその流体が水である場合には、第１の管１２はプラスチック或いは金属で構成してもよい。その第１の管１２の材料は、流体によって引き起こされる腐食に対して耐えられるべきものである。
【００１８】
装置１０は、実質的に鉛直方向に向けられた第２の管部材１４をも備えている。第２の管部材は、第１の管部材１２の直径より大きな直径であり、第１の管部材１２に対して実質的に同心状に配向されている。第２の管部材１４は、開口上端３４と閉鎖下端３６を備えている。第１の管部材１２の外側と第２の管部材１４の内側との間の空間は、第２の内部空間４０である。第２の管部材１４も、流体を通さず、流体によって引き起こされる腐食に対して耐えうることが望ましい。第２の管部材１４は、第２の管部材１４の外側のいずれの物資も通さない材料で作られ、そのような物質によって引き起こされる腐食に対して耐え得ることが望ましい。第１及び第２の管部材１２，１４は同様の材料で構成してもよいが、これは必須ではない。
第３の管部材１６は、開口上端４２と開口下端４４を有しており、円筒状となっており、第２の内部空間４０内に実質的に鉛直に向けられている。下端４４は、第１の管部材１２の下端３０によって形成された位置にある。上端４２は、第２の内部空間４０内の気泡収集器２２，廃棄ガスベント２４及び廃棄ガス管２６の上方で、且つ、加速板２０及び入口１８の下方にある。第３の管部材１６も、収集器２２の近傍に少なくとも１つの開口若しくは溝穴４６を有している。第３の管部材１６は、流体或いは廃棄ガスを通さない材料からなる。このように、第３の管部材１６は、第１の管部材１２及び／又は第２の管部材１４と同じ材料で構成してもよいが、これは必須なことではない。
【００１９】
図１に示す実施形態では、第３の管部材１６は第１の管部材１２に寄りかかっているように示されている（図３及び図４も参照）。以下により詳しく説明するように、第３の管部材は第２の内部空間４０内に設置（ｒｅｓｉｄｅ）されている必要がある。第３の管部材１６は、図示するように第１の管部材１２に接触している必要はないが、以下に説明するように、第３の管部材１６が第１の管部材１２及び装置１０の中心長手軸に近接し、より詳しくは、螺旋状の収集器２２の中心軸に近接した位置に置かれることは有利である。
図１に戻ると、装置１０は、第２の内部空間４０内に収容された流体の中への溶解されるガス（図では酸素）の導入のための入口手段として機能する入口１８も備えている。ガスは、第２の管部材１４を通して第２の内部空間４０内へ、ガスの導入のための周知の手段によって入口１８に押し込まれる。
【００２０】
装置１０は、更に加速板２０を備えている。加速板２０は、通過する流体の流れを加速するための手段として機能する。図１の線２−２に沿った断面図である図２に示すように、この実施形態では、加速板２０は実質的に水平に広がって第２の内部空間４０をほぼ覆うようなドーナツ状板からなる。加速板２０は、流体の流れを通過させるための少なくとも１つの開口４８を備えている。
加速板２０は、本発明で取りうる唯一の代替案である。繰り返すが、加速板２０の第１の目的は、加速板２０の上方の流体の流れに比べて加速板２０の下方の流体の流れを加速することである。従って、この目的を達成するために使用される加速手段は、第２の内部空間内に設置されなければならず、第２の内部空間４０を横切って全体的にわたって広がる必要はなく、全体的にみて従来技術で周知な形式の加速器でもよい。例えば、好適な加速手段は、加速板２０のように小さなミキサであって、気泡が合体したり潰れたりするのを防止し抑制するものである。
図１及び図３（図１の線３−３に沿った断面図）に示すように、装置１０は廃棄ガスベント２４と廃棄ガス管２６をも備えている。廃棄ガスベント２４と廃棄ガス管２６の両方は、第３の管部材１６の上端４２の下方で且つ気泡収集器２２の上方に位置決めされている。この実施形態では、廃棄ガスベント２４は上昇する廃棄ガスを除去するためのトラップ（ｔｒａｐ）を単純に備えているだけである。廃棄ガス管２６は、廃棄ガスを捕獲して廃棄ガス管２６を通して移動させるように、第２の管部材１４を通って廃棄ガスベント２４の上部リップ（ｌｉｐ）の下まで延びている。
【００２１】
図１に戻ると、装置１０は更に気泡収集器２２を備えている。図１の線４−４の断面図である図４に示すように、収集器２２は、第２の内部空間４０内に配置され、第３の管部材１６を収容しながら、ほぼ第１の管部材１２の外側から第２の管部材１４の内側まで広がっている。図１に戻ると、収集器２２は螺旋状であり上端５０及び下端５２を有している。収集器２２の下端５２は、第２の管部材１４の下端３６の上方で且つ第１の管部材１２の下端３０の下方に位置決めされている。収集器２２の上端５０は加速板２０，入口１８，廃棄ガスベント２４及び廃棄ガス管２６の下方にある。
上記説明に基づいて、図１の実施形態の動作について説明する。流体（この例では水）は第２の内部空間４０内を加速板２０に向かって下方に流れることができる。ガス（この例では酸素）は入口１８から第２の内部空間４０に導入される。加速板２０は、加速板２０の上方の流体の流れと比較して加速板２０の下方の流体及び気泡の速度を増大させる。その速く流れる流体は、第２の内部空間における断面積を制限したことによるものであり、流体の下方移動噴流（ｄｏｗｎｗａｒｄ ｍｏｖｉｎｇ ｊｅｔ）を生み出す結果となる。下方移動噴流は、第２の内部空間４０内でガスの気泡群が活発な移動を維持することを助ける。そのような噴流がない場合には、気泡群は合体し合い及び／又は潰れて、第２の内部空間４０内の液体の単位体積あたりのガス気泡表面積は著しく減少する。
【００２２】
気泡は螺旋状気泡収集器２２に向かって下方に流れ続ける。収集器２２は、流体の流れを水平成分に変換する平行板分離器と同じように働き、その結果、気泡は上記収集器２２の下面に上昇する。このプロセスは、流体の流れから気泡を除去し、収集器２２の下面に沿って流体の流れの方向と反対に気泡を上昇させる起因となる。螺旋状収集器２２によって与えられた遠心力も、気泡を強制的に第２の内部空間４０の中心に押しやる。このプロセスの間、かなりの気泡は流体と確実に接触し流体に溶け込むことになる。仮に気泡が溶け込まなかった場合には、それらは第３の管部材１６の溝穴４６に入る。これらの逃げたガスの気泡はこのようにして装置１０の収集器２２の領域に集められ、第３の管部材１６で重力によって運び上げられ、第２の内部空間４０の気泡群に入る。
気泡のすべてが流体に吸収される訳ではないので、気泡は連続的に装置１０から廃棄される。過剰な気泡は廃棄ガスベント２４で捕獲されることにより装置１０を離れ、廃棄ガス管２６によって装置１０から出てゆく。溶解ガスを含む流体は、第１の管部材１２を通って上方に流れることにより装置１０から出てゆく。
【００２３】
入口１８を通してガスを導入し及び／又は第２の内部空間４０を通して流体を導入する（例えば図６参照）ために必要と認められ又は望まれる以外は、本発明のガス溶解装置がわずかな部品によって可動部品無しで構成されることは当業者によって容易に理解されるであろう。従って、この装置は投資コスト及び運転コストの両方に関してコスト的に優れている。装置は、大規模な保守作業も不要である。また、装置は大きな粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）が自由にシステムを通過することを許容する。更に、溶けにくいガスについて高い吸収効率の結果を得ることが可能である。
図５を参照すると、装置の第２の実施形態の側面図が示されており、装置の構成要素を図示するために装置の外観は透明にしてある。この実施形態において、装置１００は、入口１０２，溶解ガス供給部１０３，加速板１０４，気泡接触チャンバ１０６，気泡収集器１０８，気泡戻り管部材１１０，及び出口１１２を備えている。入口１０２はガスを含むか又は含まない流体を受け入れる手段として機能する。溶解ガス供給部１０３は、チャンバ１０６内に収容された流体にガスを導入するための手段として機能する。加速板１０４は、図１の加速板２０と同様に、入口１０２の流体の流れと比べてチャンバ１０６内の流体及び気泡の流れを加速するように機能する。
【００２４】
気泡チャンバ１０６は、第１の部分１１４と第２の部分１１６とからなる。図示するように、第１の部分１１４は広がり型の内面を有している。第２の部分１１６は、実質的に円筒状で少なくとも１つの開口１２０を備えた底面１１８を有している。開口１２０は、出口１１２と動作可能に接続されている。
チャンバ１０６の第２の部分１１６の内部は収集器１０８である。図１に示す収集器２２と同様に、収集器１０８は気泡戻り管部材１１０の設置部を除いて螺旋形であり、チャンバ１０６の第２の部分１１６内部のほぼ全体を横切って広がっている。
気泡戻り管部材１１０は、実質的に鉛直でチャンバ１０６の中心軸に近接している。管部材１１０は、図１の第３の管部材１６と同様に、開放上端１２２と開放下端１２４と少なくとも１つの開口１２６とを有する。開口１２６は、収集器１０８に近接し且つ収集器１０８の上端より低い位置に設けられている。
当業者には容易に理解されるであろうが、図５の実施形態は、ポンプからの排出流のような静圧の存在下で動作する。そのような構成においては、ガスの吸収によって置き換えられるところの当初から溶存していたガスの除気のために便宜を図る必要もない。従って、図５の実施形態は、廃棄ガスを取り扱うための特別な部品を備えていない。
【００２５】
図５の装置の動作を考察すると、流体は入口１０２を介して装置に導入され、ガスはガス入口１０３を通して導入される。流体噴流の増速は、図１の加速板２０について説明した態様で、流体が加速板１０４を通過することによって行われる。チャンバ１０６の第１の部分１１４の拡張されてゆく断面により、流体の速度は下方に行くに従って、チャンバ１０６内の気泡群内のガスの気泡の浮上速度以下まで減速される。この流体の減速は、チャンバ１０６に収容されている気泡群の中の気泡を高濃度に保持することを可能とする。従って、このチャンバ１０６の構成は、ガスの吸収能力を高めることになる。この点に関し、気泡群内での気泡滞留時間を長く維持することは有用である。
流体及び気泡がチャンバ１０６の第２の部分１１６の収集器１０８に到達したときに、気泡を上昇させ収集器１０８の下面に付着させるために、収集器１０８は流体の流れを水平成分に変換し、これにより、流体の流れからそれらを除去する。その後気泡は、重力により上方に流れると共に螺旋状の収集器１０８の遠心力によって中心に流れる。気泡は、気泡戻り管部材１１０の開口１２６に入り、管部材１１０の上端１２２に上昇して流れ出て、チャンバ１０６流れる。このように、装置１００は気泡の滞留時間を延長することにより効率を高めるために、逃げやすい気泡を戻す。内部にガスが溶存した流体は、チャンバ１０６の底面１１８の開口１２０を通ってチャンバ１０６から出口１１２に向かって出てゆく。
【００２６】
様々な機構が図５の装置のガス吸収効率に貢献することは、当業者であれば容易に理解するであろう。チャンバ１０６の形状は、吸収効率を高めるために、長時間に渡って気泡を流体に接触させ続けることを助ける。水中に酸素を溶解させる場合に、例えば、吸収を確実にするために１００秒間程度強制的に気泡を水に接触させておくことが望ましい。また、収集器１０８と気泡戻り管部材１１０のつながりは、逃げやすい（吸収されない）気泡を循環させてチャンバ１０６に戻す。このことも、吸収効率を向上させる。
チャンバ１０６の正確な形状は、図５に示すものである必要は無ないことは容易に理解されるであろう。例えば、チャンバの第１の部分１１４は種々の角度及び長さを採ることが可能である。また、第２の部分１１６も円筒状である必要はない。また、チャンバは一体的な円錐状，一体的な円筒状或いは上記したように流体の流れ及び気泡群を適切に活性化できるその他の形状を採ることができる。
【００２７】
図６を参照すると、本発明に係る装置の第３の実施形態の側面図を示し、ここで装置の構成要素を表すために外側管部材は透明となっている。この実施形態において、装置１５０は、図１の装置１０のように、第１の管部材１２，第２の管部材１４，第３の管部材１６，入口手段１８，加速板２０，第１の螺旋状気泡収集器２２，第１の廃棄ガスベント２４及び第１の廃棄ガス出口２６とを備える。この実施形態は更に、第２の加速板１５２，第２の螺旋状気泡収集器１５４，第４の管部材１５６、第２の廃棄ガスベント１５８及び第２の廃棄ガス出口１６０を備えている。装置は更に、第１のガス管出口２６を第４の管部材１５６の開口下端に接続するための第５の管部材１６２を備えている。
装置１５０に関する以下の説明で明らかになるであろうが、装置１５０の下方部分は主としてガスの吸収を担っており、上方部分は主として溶解ガスに置換される初期溶存ガスの揮散を担っている。仮に酸素が供給された水が使用される場合、下方部分は酸素吸収部であり上方部分は窒素揮散部となる。
図６の実施形態において、装置１５０は掘削された立坑に埋め込まれ、第２の管部材１４の下端３６は地表から約３．０４ ｍ （１０ ｆｔ）以上下方となる。第１の管部材１２は直径が約０．３０ ｍ（１２ ｉｎ）であり、第２の管部材１４は直径が約０．９１ ｍ （３６ ｉｎ）である。これらの直径は一例であり、必須な値ではなく、どのような点においても限定するものではない。
【００２８】
また、近くには流体を貯えたタンク１６４がある。タンク出口手段１６６は、タンク内に貯えられている流体内まで延びており、第２の管部材１４の上端３４に動作可能に接続されている。タンク入口手段１６８はタンク１６４内に貯えられている流体内まで延びており、第１の管部材１２の上端２８に動作可能に接続されている。タンク１６４からタンク出口手段１６６を通って装置１５０へ流れる流体の流動を開始及び／又は維持するためのポンプ手段１７０が示されている。
さて、装置１５０の動作に目を向けると、流体はタンク１６４からタンク出口手段１６６を通って第２の管部材１４の上端３４に送り込まれる。一実施形態において、管部材１４の上端３４に入る流体の速度は、毎秒約０．１５〜０．６０ ｍ （０．５〜２．０ ｆｔ／ｓ）である。流体は第２の加速板１５２を通過する。第２の加速板１５２は、流体が流れるための断面積を制限するもので、流体が下方に向かう噴流となるように加速するための開口（図２参照）を備えている。一実施形態において、流体の下方噴流は毎秒約１．８３〜３．６６ ｍ （１２ ｆｔ／ｓ）で移動する。増速された噴流は装置１５０の上方部分に流動気泡群を維持する。この上方部分の気泡の上昇速度は、ほとんどの気泡が集積して流動気泡群を維持するのに十分な程度に低い（一実施形態では毎秒約０．１５〜０．３０ ｍ （０．５〜１ ｆｔ／ｓ）。上方部分に供給されるガスは、後述するように第１の廃棄ガスベントから発生して第１の廃棄ガス管２６を通る。装置１５０のこの上方部分の第２の内部空間４０にガス気泡が集積した時に、それらは下方に集積し、気泡群が第２の廃棄ガス管１６０に入るために第２の廃棄ガスベント１５８の下方に押しやられて結局消滅する。
【００２９】
装置１５０の上方部分において、流体が気泡群を通って流下したときに、ガス（元々入口１８から導入されたもの）は流体の中に溶解され、すでに流体内に溶存しているガスは流体から気相に揮散させられる。気泡群から注意深く抽出された逃げる気泡は、効率的に捕獲されて気泡群に戻されなければならない。これは第２の螺旋状気泡収集器１５４と第４の管部材１５６によって、図１及び図５の同等の構成要素に関して記述したのと同様の態様で成し遂げられるものである。
逃げる気泡が無い流体は、第２の収集器１５４の底から第１の加速板２０に向かって下方に流れ続ける。一実施形態において、この領域の流体速度は、毎秒約０．１５ 〜０．６０ ｍ（０．５〜２．０ ｆｔ／ｓ）である。この点に関しては、装置の動作は図１の装置１０に関して説明したのと同様である。
【００３０】
装置１５０の下方部分ではすべてのガスが吸収される訳ではないので、多少の気泡は、廃棄ガスベント２４を通って第１の廃棄ガス管２６へ流れ、また第５の管部材１６２を通って第４の管部材１５６に流れ、継続的にシステムから廃棄される。これらの気泡は、上記したような工程を辿って、結局第２の廃棄ガスベント１５８と第２の廃棄ガス管１６０を介してシステムから出てゆく。もちろん、溶存ガスを含み気泡が全く無い流体は、第１の収集器２２の底を出て第１の管部材１２及びタンク入口手段１６８を通ってタンク１６４に流れる。
図６の実施形態がガスの吸収能力を高めるためにシステム内の不要なガス（流体中の初期溶存ガス）を低減することは、当業者に容易に理解されるであろう。不要なガスはガス吸収部の前で低減される。また、掘削された穴に設置されているように示されているが、図６の装置はそのように設置される必要がないことは容易に理解されるであろう。代わりに、装置１５０は管の中に設置されてもよいし又は流体の中に設置されてもよい。
【００３１】
図７を参照すると、本発明の第４の実施形態が示されており、装置の構成要素を図示するために装置のＵ字管部材は透明となっている。この実施形態において、装置１８０は一般的なＵ字管酸化器１８２及び螺旋気泡収集器１８４と気泡戻り管（管部材）１８６を備えている。収集器１８４は図１，５及び６の気泡収集器と同様なものであり、気泡戻り管１８６は図１，５及び６のものと同様である。
Ｕ字管酸化器１８２は、Ｕ字管部材１９０に収容されている流体（水）中に溶解されるべきガス（酸素）を導入するための入口１８８を備えている。この実施形態では、収集器１８４はＵ字管部材１９０の入口側の底の近くに配置されている。
装置１８０の動作の間、収集器１８４と気泡戻り管１８６は、図１，５及び６の実施形態に関して説明したのと同じ機能を果たしている。具体的には、気泡がＵ字管部材１９０の入口側に降下した時に、溶解しなかった（逃げる）気泡は収集器１８４の下面に上昇する。そして、捕獲された気泡は、収集器１８４の上方の気泡群に戻されるように気泡戻り管１８６の開口に流れ込む。Ｕ字管部材１９０の出口側から出るのは、溶解ガスを高濃度に含み気泡が全く無い流体である。
【００３２】
図７の実施形態に関し、気泡を捕獲するための収集器１８４の使用は、流体へガスをより効率的に移動させる結果となることは当業者により容易に理解されるであろう。結果として、Ｕ字管装置は同じ吸収レベルを達成するために従来のＵ字管装置ほど深くする必要はない。
本発明は、従来技術の様々な欠点を解消し溶解するガス及び溶解しにくいガスにも使用できることは、当業者に容易に理解されるであろう。装置は、当初から流体内に存在していた溶存ガスを処理し、溶解ガスに置き換える。装置は、流体の体積当たりの高気泡面積を提供することにより、溶解ガスの損失を高度に低減する。逃げる気泡はガスの吸収効率の割合を高めるために効率的に分離される。機械的加圧よりもむしろ静水加圧がガスを溶解するためには用いられ、これにより、運転コストを低減できる。また、ガスは加圧されたチャンバにＰＳＡ生成器から供給されるが、同じ圧力である必要はない。
【００３３】
本発明の収集器と気泡戻り管が流体を収容するどんな容器にも使用でき、図１，５，６及び７に示すように鉛直に向ける必要が無いことは、容易に理解されるであろう。代わりに、収集器／気泡戻り管は、管や導管（或いは容器）内を流れる流体から気泡を捕獲するために使用してもよい。更に、収集器／気泡戻り管の組み合わせは、流体内に溶解されるガスであるか否かに拘わらず有用である。
更に、収集器／気泡戻り管の組み合わせの使用は、装置の中で使用される気泡接触器の断面及び／又は深さを低減することができることは、容易に理解されるであろう。そのような低減は、装置の低コスト化及び場合によって装置のための掘削コスト低減という結果を生む。
【００３４】
本発明の装置が、多面的な応用に使用できることは、容易に理解されるであろう。例えば水への酸素供給において、本発明はゆっくりと流れる河川や運河，沼（ｌａｇｏｏｎｓ），貯水池，魚／魚介／貝養殖池、廃水処理システム，下水リフトステーション，製薬，石油，化学産業に限定されない諸産業の廃水処理に使用することができる。本発明はまた、植物油に水素を溶解する場合，石炭液化流体に水素を溶解する場合、或いは製薬及び酵母生成やビタミンＣ生成などの産業好気性バイオプロセスにも有用である。また本発明は、水やその他の流体への酸化供給，体に注入される流体にキセノンを溶解したり、眼洗浄液をＤ．Ｏ．で過飽和化する等の応用もできる。
以上は、主として本発明の装置及び方法を説明する目的のために提供するものである。ガス溶解装置及び方法の材料，大きさ，動作手順と条件及びその他のパラメータは、発明の思想及び範囲から逸脱することなく、更に様々な方法で変更され或いは具体化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、装置の構成要素を図示するために外側管部材が透明にされた本発明の装置の一実施形態の側面図を示す。
【図２】
図２は、図１の２−２線における図１の装置の断面図を示す。
【図３】
図３は、図１の３−３線における図１の装置の断面図を示す。
【図４】
図４は、図１の４−４線における図１の装置の断面図を示す。
【図５】
図５は、装置の構成要素を図示するために装置の外観が透明にされた本発明の装置の第２の実施形態の側面図を示す。
【図６】
図６は、装置の構成要素を図示するために外側管部材が透明にされた本発明の装置の第３の実施形態の側面図を示す。
【図７】
図７は、装置の構成要素を図示するために管部材が透明にされた本発明の装置の第４の実施形態の側面図を示す。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004510567.tif 000037