(57)【要約】  流体の改善のためのシステムが提供される。そのシステムは、改善チャネルに流体を供給するように構成される入口と、改善チャネルと流体連通し、少なくとも１つの物質を液体に注入するように構成される注入ポートと、注入ポートの下流で改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータ上の最少で、キャビテーションポケットを生成するように構成されるエアアクチュエータと、改善チャネル内に配設され、流体中に渦を作成し、液体内のキャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される渦流板とを有する。流体を改善する方法も本明細書で提供される。【選択図】図１
2020501893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の改善のためのシステムであって、前記システムは、
改善チャネルに前記流体を供給するように構成される入口と、
前記改善チャネルと流体連通し、少なくとも１つの物質を前記液体に注入するように構成される注入ポートと、
前記注入ポートの下流で前記改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータ上の最少で、キャビテーションポケットを生成するように構成される前記エアアクチュエータと、
前記改善チャネル内に配設され、前記流体中に渦を作成し、前記液体内のキャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される渦流板と、を備えるシステム。
【請求項２】
前記注入ポートが複数の注入ポートを備え、前記複数の注入ポートのうちの第１注入ポートが、液体又は気体薬剤を注入するように構成されており、前記複数の注入ポートのうちの第２注入ポートが、乾燥薬剤を前記改善チャネルに注入するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記改善チャネル内に、前記エアアクチュエータと電子通信するように配設される流量調整弁をさらに備え、前記流量調整弁が、前記液体内の前記キャビテーションポケットの数をさらに増加させるために、圧力を最適化するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記入口と流体連通するポンプと、前記改善経路への構成された力流体と、をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
プログラマブルロジックコントローラと電子通信し、前記改善チャネル内で複数の流体特性を測定するように構成される少なくとも１つのセンサアレイをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１つのセンサで測定される前記流体特性が、音響センサ、化学センサ、流れ及び流体速度センサ、光センサ、圧力センサ、密度センサ、並びに熱センサのうちの少なくとも１つを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセンサアレイが、前記改善チャネルに沿った複数位置に配設される複数のセンサアレイを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１エアアクチュエータの下流で前記改善チャネルと流体連通し、第２渦流及びさらなるキャビテーションポケットを生成するように構成される第２エアアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記改善システムが、昇降システムを使用するさらなる改善システムと組み合わせ可能であり、前記昇降システムが、連結部材を介して前記改善システムに取り付け可能であり、
昇降ジャッキに結合されたアクチュエータであって、前記昇降ジャッキが、構成中、昇降させる原動力を提供するように構成される、アクチュエータと、
前記改善システムの一端の入口マニホルドへの接続のために構成された側板と、
水平方向に原動力を提供するように構成される少なくとも１つのクローラと、を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記改善チャネル上に配設され、前記プログラマブルロジックコントローラと電子通信し、各キャビテーションイベント前に流体圧を最適化するように構成される複数のバタフライ弁をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
流体の改善のための方法であって、前記方法は、
改善チャネルの中に流体を流すことと、
前記改善チャネルと流体連通する注入ポートを使用して、少なくとも１つの物質を前記流体に注入することと、
前記注入ポートの下流で前記改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータを使用して、空気のバーストを前記流体に導入することと、
前記改善チャネル内の前記流体中に渦流及びキャビテーションポケットを生成することと、
前記改善チャネル内に配設され、前記流体中に渦を作成し、前記液体内の前記キャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される渦流板を使用して、第２渦流を前記流体中に引き起こすことと、を含む方法。
【請求項１２】
前記流体に薬剤を注入することをさらに含み、前記注入ポートが複数の注入ポートを備え、前記複数の注入ポートのうちの第１注入ポートが、流体又は気体薬剤を注入するように構成されており、前記複数の注入ポートのうちの第２注入ポートが、乾燥薬剤を前記改善チャネルに注入するように構成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記注入ステップが、前記注入ポートと流体連通し、前記改善チャネルへの注入のための前記ポートに前記薬剤を供給するように構成される複数の槽を使用して実行される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記改善チャネル内に配設され、前記エアアクチュエータと電子通信する流量調整弁を使用して前記流体の流れを調整することであって、前記流量調整弁が前記液体内の前記キャビテーションポケットの数を増加させるために圧力を最適化するように構成される、調整することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
プログラマブルロジックコントローラと電子通信し、前記改善チャネル内の複数の液体特性を測定するように構成される少なくとも１つのセンサアレイを使用して、複数の流体パラメータを検知することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセンサで測定される前記液体特性が、音響センサ、化学センサ、流れ及び流体速度センサ、光センサ、圧力センサ、密度センサ、並びに熱センサのうちの少なくとも１つを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのセンサアレイが、前記改善チャネルに沿った複数位置に配設される複数のセンサアレイを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記改善チャネル内に配設され、前記流体中に渦を作成し、前記液体内の前記キャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される第２渦流インペラを使用して、第２渦流を前記流体中にさらに引き起こす、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
昇降システムを使用して複数のキャビテーションシステムを組み合わせることであって、前記昇降システムが、連結部材を介して前記改善システムに取り付け可能であり、
昇降ジャッキに結合されたアクチュエータであって、前記昇降ジャッキが、構成中、昇降させる原動力を提供するように構成される、アクチュエータと、
前記改善システムの一端の入口マニホルドへの接続のために構成された側板と、
水平方向に原動力を提供するように構成される少なくとも１つのクローラと、を備える、組み合わせることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記改善チャネル上に配設され、前記プログラマブルロジックコントローラと電子通信し、各キャビテーションイベント前に流体圧を最適化するように構成される複数のバタフライ弁を使用して流体流れを制御することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本発明は一般に、流体の改善に関し、より詳細には、さまざまな方法で、流体内で流体力学的キャビテーションを作成して、集中させて、及び／又は制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  人間の多くの多様な活動が、数えきれない廃棄物及び副産物を生み出している。汚染物質の環境、健康、及び産業への影響が増加しているので、汚染水及び他の液体からの、さまざまな汚染物質の迅速且つ効果的な除去のための新しい方法を開発することは、ますます重要になっている。多くの場合に呼ばれる「改善」は、汚染物質及び他の安全ではない物質の流体からの減少又は除去を目標としている。
【０００３】
[0003]  改善の多くの方法が存在している。いくつかの生物学的処理技術は、バイオオーグメンテ−ション、バイオベンティング、バイオスパージング、バイオスラーピング、及びファイトレメディエーションを含む。いくつかの化学処理技術は、オゾン及び酸素ガス圧入、薬品沈澱、膜分離、イオン交換、炭素吸収、水性化学酸化、及び界面活性剤増進回収を含む。いくつかの化学技術は、ナノ材料を使用して実行されてもよい。物理的処理技術は、揚水処理、エアスパージング、及び二相抽出を含むが、これらに限定されるものではない。
【０００４】
[0004]  最近その環境にやさしい性質のために人気が増している１つのそのような方法が、流体力学的キャビテーションである。キャビテーションは一般に、小さい液体のないゾーンを作成する、液体中の蒸気キャビティの形態である。工学用語で、用語「キャビテーション」は狭義には、具体的に説明すると、液体システムの動的作用によって発生する局所的な圧力減少によって作成される、内部が蒸気で満たされたキャビティ、又は、固体境界上の蒸気で満たされたキャビティの形態を表す。
【０００５】
[0005]  いくつかのキャビテーション法が現在、存在している（例えば、音響キャビテーション）が、流体力学的キャビテーションは比較的、探求されていない。流体力学的キャビテーションでは、汚染除去は、液体中に流体力学的なキャビテーションイベントを引き起こす液中ジェットの使用によって実現されてもよい。これらのキャビテーションイベントは、強い酸化剤及び還元剤を生成することによって化学反応を促進し、汚染有機化合物、並びに一部の無機物を効率的に分解及び破壊する。これらの同じキャビテーションイベントは、微生物（大腸菌及びサルモネラ菌など）及び幼生（カワホトトギスガイの幼生など）の細胞壁又は外膜を両方とも物理的に破壊又は断裂し、さらに、これらの生物の駆除を支援する、過酸化物、ヒドロキシルラジカルなどの殺菌性化合物を生成する。細胞壁又は外膜の破壊後、内部の細胞成分は酸化されやすくなる。
【０００６】
[0006]  流体力学的キャビテーションは、流体流れ内部の蒸気ガスで形成されたキャビティの、又は、境界層における流体の蒸気圧より低く下げられた局所的な圧力の領域の、形態で定義される。局所的な圧力低下は、流れ領域の収縮によって（すなわち、縮流又は縮流前の部分で）流体速度を増加させることによって影響を受ける。キャビティで満たされた流体が、流体の蒸気圧より高い圧力の領域（例えば、断面積がより大きく、流体速度がより遅く、よって、圧力がより高い領域）へ移動すると、蒸気ガスキャビティは凝縮して流体に戻り、崩壊する。
【０００７】
[0007]  気泡崩壊が起こる化学反応に関するいくつかの理論が存在している。そのうちの１つによると、気泡崩壊時の「ホットスポット」（局所的な温度及び圧力の高い領域）の生成は、促進反応の原因となる。この理論によると、空洞化された領域における無数の気泡の崩壊は、多数の局所的な高温及び高圧点（最大５，０００℃及び１，０００気圧）を作成し、それにより、酸化（及び／又は還元）が実現され、よって、望ましい改善効果が達成される。キャビテーションの他の理論は、反応が、気泡崩壊で発生する衝撃波又は放電によって生じる、又は、崩壊する気泡でのプラズマ状の状態の形成に対して生じることを示唆している。因果関係に関係なく、キャビテーションイベントの場所で起こる物理的及び化学的反応は、液体からの有機及び他の汚染物質の除去のために、本発明の工程において効率的に利用される。
【０００８】
[0008]  Chahineらに対する米国特許第６２２１２６０号によって説明されるように、発生したキャビティの特性及び挙動は、酸化効率に強く影響を与える。渦室の中心に発生するより低い圧力のために、積極的なキャビテーションは、周囲圧力を下げる必要なしに、中程度の噴流圧力で発生させることができる（本発明の目的上、「周囲圧力」は流体噴流噴出する液体の圧力を指す）。それにもかかわらず、低〜中程度の周囲圧力（すなわち、約０〜１００ｐｓｉ）での作動において、この改善方法で使用される渦を巻く流体噴流キャビテーションは、大量の小さいキャビティ、すなわち、表面積の体積に対する比率が大きい形態のキャビティ（例えば、非常に細長い気泡、螺旋状パターンなど）を発生させる。
【０００９】
[0009]  キャビテーション技術は、さまざまな工業上の、及び生態学的な改善状況での用途を有し、その分野は、農業、鉱業、製薬、食品及び飲料製造及び加工、漁業、石油及びガス生産及び処理、水処理、並びに、代替燃料を含むがこれらに限定されない。このような使用分野の幅広さのために、企業は、キャビテーション技術をさらに開発することをいっそう熱望している。
【００１０】
[0010]  いくつかの例は、米国特許第５，７４９，３８４号（Hayasiら）及び米国特許第４，５０８，５７７号（Connら）で開示されている清掃及び保守管理のための回転する噴射ノズルの使用を含む。Hayashiの機器は、噴射ノズル自体を上下に移動、回転、及びスイングさせることが可能な駆動機構を採用している。Connらは、導管の内壁をきれいにするための、少なくとも２つの噴流形成手段を含む、清掃の回転を説明している。
【００１１】
[0011]  これらの現在の流体力学的キャビテーション技術は、多くの場合、懸濁固形物の粒子分布粒径分布を減少させることを目標としている。この流体力学と熱力学との関係の複雑に入り組んだ体系的な性質の複雑性も手伝って、今日の知られているキャビテーション装置は、高エネルギ要求のために効率が悪く、さらに、コストがかかり、大きすぎることが知られており、本来は可変ではない。
【００１２】
[0012]  よって、効率的且つ経済的であり、設置面積が縮小され、さらに、流体力学的キャビテーションの定性的及び定量的効果を作成して、制御して、そして集中させる改良されたキャビテーション装置が必要である。
【発明の概要】
【００１３】
[0013]  流体中にキャビテーションを作成するための方法及び機器のさまざまな実施形態が提示される。
【００１４】
[0014]  本発明のある実施形態において、流体の改善のためのシステムが提供され、そのシステムは、改善チャネルに流体を供給するように構成される入口と、改善チャネルと流体連通し、少なくとも１つの物質を液体に注入するように構成される注入ポートと、注入ポートの下流で改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータ上の最少で、キャビテーションポケットを生成するように構成されるエアアクチュエータと、改善チャネル内に配設され、流体中に渦を作成し、液体内のキャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される渦流板と、を備える。
【００１５】
[0015]  流体の改善のための方法も提供される。その方法は、入口から始まる改善チャネルの中に流体を流すことと、改善チャネルと流体連通する注入ポートを使用して、少なくとも１つの物質を流体に注入することと、注入ポートの下流で改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータを使用して、空気のバーストを流体に導入することと、改善チャネル内の流体中に渦流及びキャビテーションポケットを生成することと、改善チャネル内に配設され、流体中に渦を作成し、液体内のキャビテーションポケットの数をさらに増加させるように構成される渦流板を使用して、第２渦流を流体中に引き起こすことと、を含む。
【００１６】
[0016]  本方法は、工業上の及び生態学的な改善状況などの領域で有用であり、その領域は、例えば、農業、鉱業、製薬、食品及び飲料製造及び加工、漁業、石油及びガス生産及び処理、水処理、並びに、代替燃料を含む。特に、キャビテーションの物理的及び化学的反応特性が有益であるところで、本方法は有用である。
【００１７】
[0017]  本発明の他の特徴、利点、及び態様は、添付図面とともに読まれるべきである以下の詳細説明から、より明らかになって、より容易に理解されるであろう。
【００１８】
[0018]  本発明は、一例として、限定するためではなく、添付図面の図に示され、同様の参照番号は同様の要素を指し示す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態による流体改善及び／又は処理システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による渦流板の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による、「大型化された」図１の流体水処理システムの概略図である。
【図４】本発明の実施形態による流体改善及び／又は処理システムのライン概略図である。
【図５】本発明の実施形態による流体改善及び／又は処理システムの方法のための段階的なフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による流体改善及び／又は処理システムを使用した、農場における改善を詳述する使用事例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
[0025]  別段の指示がない限り、図面の説明図は必ずしも縮尺通りに描かれるわけではない。
【００２１】
[0026]  本発明は、本明細書に示される詳細な図及び説明を参照することにより最もよく理解される。
【００２２】
[0027]  本発明の実施形態は、図を参照して以下で論じられる。しかしながら、当業者なら、これらの図を参照してここに与えられる詳細な説明は、説明のためのものであり、本発明は、これらの限定的な実施形態を越えて広がることを容易に認識するであろう。例えば、当業者は、本発明の教示を考慮すると、特定の用途の必要性に応じて、以下で説明されて示される以下の実施形態の特定の実施態様の選択肢を越えて、本明細書に説明される任意の所定の詳細の機能を実装するために、多数の代替の好適なアプローチを認識するであろうことは認識されるべきである。すなわち、一覧を示すにはあまりにも多いが、すべてが本発明の範囲内である本発明の多数の修正及び変更が存在する。
【００２３】
[0028]  本発明は、本明細書で説明される多様な特定の方法、複合物、材料、製造技術、使用、及び応用に限定されないことはさらに理解されるべきである。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、本発明の範囲を限定するものではないことも理解されるべきである。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、本文脈が他に明確に指示しない限り複数形の参照を含むことに留意しなければならない。従って、例えば、「ある要素（an element）」への参照は、１つ又は複数の要素への参照であり、当業者に公知のその等価物を含む。同様に、別の実施例では、「あるステップ（a step）」又は「ある手段（a means）」への参照は、１つ又は複数のステップ又は手段への参照であり、サブステップ及び従属する手段を含むことができる。使用されるすべての接続詞は、可能な限り最も包含的な意味に理解すべきである。従って、「又は（or）」という語は、本文脈が他に明確に必要としない限り論理的な「排他的な又は（exclusive or）」ではなく論理的な「又は（or）」の定義を有するものとして理解する必要がある。本明細書で説明される構造は、このような構造の機能的な等価物を示すものとも理解すべきである。近似を表現すると解釈できる用語は、本文脈が他に明確に指示しない限りそのように理解すべきである。
【００２４】
[0029]  他に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本発明が属する当業者が一般に理解するのと同じ意味を有する。好ましい方法、技術、装置、及び材料が説明されるが、本明細書で説明されるものに類似又は等価の何らかの方法、技術、装置、又は材料は、本発明の実施又は検証に使用することができる。本明細書で説明される構造は、このような構造の機能的な等価物を示すものとも理解すべきである。ここで、本発明は、添付図面に示されるようなその実施形態を参照して詳細に説明される。
【００２５】
[0030]  当業者は、本発明の教示に照らして、前記ステップ及び／又はシステムモジュールのいずれかが適切に置換され、並べ替えられ、除去されてもよく、特定のアプリケーションの必要性に応じて、追加のステップ及び／又はシステムモジュールが挿入されていてもよく、前記実施形態のシステムが、さまざまな適切なプロセス及びシステムモジュールのいずれかを使用して実施されてよく、任意の特定のコンピュータハードウェア、ソフトウェア、ミドルウェア、ファームウェア、マイクロコードなどに限定されないことを容易に認識するであろう。計算機上で実行できる本出願に記載の任意の方法ステップのために、典型的なコンピュータシステムが、適切に構成又は設計された場合に、本発明のこれらの態様を具現化できるコンピュータシステムとして機能することができる。
【００２６】
[0031]  本発明の例示的な実施形態は、キャビテーション的な発見が使用される特定の業界に関して説明されるが、当業者は、本発明の実施形態が、キャビテーションが有益である任意の種類の応用に適用可能であることを認識するであろう。
【００２７】
[0032]  本発明のシステム及び方法は、流体中に流体力学的キャビテーションを作成する。本汚染除去システムの詳細な要素及び特定の実施形態は、物理的及び化学的汚染除去反応を促進するために採用されたキャビテーション現象をさらに理解することによって、最も理解することができる。流れ中の大きな圧力低下のために、微細気泡が圧力低下の領域で成長し、圧力上昇の領域で崩壊する。キャビテーションにさらされると、液体中のさまざまな分子は解離を起こし、強力な酸化又は還元剤であるフリーラジカルを形成する。例えば、水性液体中で、ヒドロキシルラジカルを形成する水の解離は、強力なキャビテーションの下で、微細気泡の成長及び崩壊のために発生する。他の分子の類似した解離は、水溶液並びに非水性液剤中のキャビテーションの結果として発生してもよく、本明細書に記載の汚染除去反応で同様に支援するラジカルを生成する。さらに、任意の液体環境で生成されたキャビテーションは、特定のラジカルの生成に関係なく、結果として汚染物質の物理的破壊をもたらす。本発明の方法及びシステムは、採用されたキャビテーションの物理的及び／又は化学的効果による分解を受けやすい汚染物質を備えるすべての流体環境に適用可能である。
【００２８】
[0033]  ここで図１を参照すると、水を処理するためのシステムが全体的に１００で示される。システムは一般に、沈殿物、汚染物質などを含有することがある原水、褐色水、又は排水と関わる主入口１０２と、汚染物質及び他の不必要な粒子が除去された処理済又は改善済の水を出力するための出口１０４とを有する水経路を定義する。単純な長方形のタンクが図１に示されているが、さまざまな寸法の構成要素のさまざまな寸法、形状、容器位置及び数が採用されてもよいことは理解されるべきである。
【００２９】
[0034]  ここで、主入口１０２を起点として、システムは、センサハウジング１０６と、第１弁１０８と、複数のインジェクタコイル１１０と、添加剤ポート１１２と、流量計１１４とを備える。本明細書で使用される場合、システムのこの領域は、「プレキャビテーションゾーン」又は「混合領域」と呼ぶこともある。システムはさらに、第１エアインジェクタ１１６、第２センサアレイ１１８、続いて、渦流板１４６、及び第２エアインジェクタ１２０を備えてもよい。さらなるセンサ（例えば、圧力センサ１２４）及び第２弁１２２も示されている。次いで、改善経路１０１は、出口１０４へと延びている。本明細書で使用される場合、システムのこの領域は、「キャビテーションゾーン」１４４と本明細書で呼ぶこともある。
【００３０】
[0035]  図１から分かるように、改善チャネル１０１又は「フローライン」又は「流体ライン」は、ポンプ１２６を使用して、矢印Ａによって表される経路に沿ってシステム１００に流体を導入するように構成される。改善チャネル１０１は変化する形状及び寸法を備えてもよく、物質を注入するための、そして品質テストのための多数のブランチを備えてもよいことは認識されるべきである。システムは、改善チャネル１０１においてキャビテーション生成器として働く、複数のエアアクチュエータと複数の渦流生成器とを備えてもよいことはさらに認識されるべきである。さらにまた、多くの種類のキャビテーション生成器、例えば、バッフル、ベンチュリ管、ノズル、オリフィス、スロットなどが使用されてもよいことが理解されるであろう。また、任意選択の実施形態において、水源からの運動エネルギがシステムを駆動するために使用されてもよいので、ポンプは必要でない。一例として、川の上流又は任意の下りの流水は、ある状況においてシステムを駆動するのに十分大きい圧力を提供する。
【００３１】
[0036]  図１をさらに参照すると、センサハウジング１０６は、入口１０２の近くに位置付けられ、改善流体がプレキャビテーションゾーンに入る前に試験及び監視されるように、改善経路１０１に通信可能に結合される。本発明の実施形態において、分岐経路１２８及び弁１０８は、改善流体のサンプルが試験のために分岐するように設けられる。弁１３４（例えば、チョークバルブ）を介して改善流れ１０１に試験流体を注入して戻すために、進入経路がさらに設けられる。センサハウジング１０６は、自動化、特徴づけ、及び監視のために使用される多数のセンサを備えてもよい。例えば、センサアレイは、メカニカルセンサ、電子機器、分析及び化学センサ、制御システム、テレメトリシステム、並びに、センサが図４を参照してより詳細に論じられるプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）と通信することを可能にするソフトウェアを含む複数の異なる構成要素を備えてもよい。
【００３２】
[0037]  本発明の実施形態において、センサハウジング１０８はメカニカルセンサ、流量を測定する流量計及び圧力計、圧力、比重、液体の存在（水位計及びインタフェースプローブ）、ｐＨ、温度、及び伝導率などのさまざまなパラメータを測定する電子センサ、並びに、汚染物質濃度などの化学パラメータを測定する分析センサを備えてもよい。分析センサのいくつかの例は、ｐＨプローブ及び測色のために使用される光学センサを含む。センサとともに働く制御システムは、ＰＬＣ及び他の電子マイクロプロセッサ装置を備える。制御システムは、感覚入力、プロセス情報、及びトリガ特異作用を受けることができる。これらは、図４を参照してより詳細に論じられる。
【００３３】
[0038]  図１をさらに参照すること、複数の導入部１３６は、改善経路１０１に流体結合され、導入部１３６は改善経路に特定の物質を注入するように構成されている。一例として、選択された流体処理プロセスの種類、処理される汚染物質、既存の水質、望ましい水質、及び他の変数に応じて、固相、液相、又は気相である異なる種類及び組合せの前駆体化合物が採用されてもよい。前駆体化合物１４０はポンプ１３８を介して改善ライン１０１に圧送又は注入されてもよい。前駆体化合物１４０は、供給原料である可能性があるが、さらに、交換可能なカートリッジ、並びに、ライン供給又は他のそのような化学的入力、及び、より大きな水流のための、さまざまな供給原料及び前駆体供給材料のバルク供給源を備えてもよい。
【００３４】
[0039]  例示的な化合物は、固体として導入される、又は、水若しくはいくつかの他の溶剤に溶解される、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム、カリウムなどのハロゲン塩を備えてもよい化合物を含む。水又はいくつかの他の溶剤に溶解される、オゾン、過酸化水素、ペルオキシ酸、ブライン溶液、塩素溶液、アンモニア溶液、アミン、アルデヒド、ケトン、メタノール、キレート化剤、分散剤、窒化物、硝酸塩、硫化物、硫酸塩などの液体供給原料が採用されてもよい。さらに、オゾン、空気、二酸化塩素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、クリプトン、臭素、ヨウ素などの気体の供給原料が採用されてもよく、前記のそれぞれは、流体改善プロジェクトの目標に基づく所定の量である。
【００３５】
[0040]  固体化合物のための、乾燥薬剤導入部１１２が示されている。上記のものなどの乾燥薬剤の注入は、弁１４２を介して行われてもよい。
【００３６】
[0041]  チャネル１０１に薬剤を導入するためのポートにより、流れの局所的狭窄部又はその近くで、流動チャネルに酸化剤を導入してもよい。示された実施例において、ポートは、流れの局所的狭窄部の流体への酸化剤の導入を可能にするように構成されてもよい。ポートは、流れの局所的狭窄部の流れ１０１だけでなく、流れの局所的狭窄部とキャビテーション気泡が形成されるキャビテーションゾーンへの領域との間及びそれらを含む領域に沿った流れ１０１にも酸化剤を導入するように構成されてもよいことが理解されるであろう。
【００３７】
[0042]  さらに図１を参照し、流体流路を下ると、流量計１１４などのさらなるセンサが経路に沿って配置される。プレキャビテーションゾーンにおいて、流量計は、図４を参照して詳細に論じられる、ＰＬＣがキャビテーション変数を計算できるようにバルク流体の移動を定量化するように構成される。
【００３８】
[0043]  キャビテーションゾーン１４４に入ると、流体は、さまざまな程度のキャビテーション及び改善を受ける。キャビテーションゾーンは、流れ１０１に空気を注入するように構成された第１エアインジェクタ１１６と、反応器板１４６と、第２エアインジェクタ１２０と、キャビテーションゾーンを通る流れの割合を制御し、ライン／流れ１０１の流体の平均滞留時間を制御する制御弁１２４とを備えてもよい。
【００３９】
[0044]  第１及び第２エアインジェクタは、液体中に蒸気キャビティ（すなわち、小さい液体のないゾーン、気泡、又は空隙）を形成するために流体にキャビテーションを引き起こすように構成され、それは、圧力が比較的低いキャビティの形成を引き起こす急速な圧力変化を流体が受けたときに発生する。このように、インジェクタは、キャビテーション気泡に捕捉された蒸気の解離によるプロセスにおけるフリーラジカル形成のために、化学反応を促進し、反応を伝播させるために使用される。
【００４０】
[0045]  反応器板１４６は、第１エアインジェクタと第２エアインジェクタとの間のライン１０１内に配設される。図２を参照してより詳細に論じられる反応器板は、キャビテーションゾーン１４４に高揮発性を有する大量の微小気泡があるような、さらなるキャビテーションを引き起こすように構成される。これらの微小気泡が崩壊するとき、最大５００気圧の瞬間圧力及び約５０００Ｋの瞬間温度が流体中で発生する。この現象は、いくつかの重要な化学反応を実現する。（１）Ｈ２ＯがＯＨラジカルとＨ＋原子とに解離する。（２）複合有機炭化水素の化学結合が切断される。（３）長鎖化学物質がより単純な化学成分に酸化され、その後、紫外線による流れに沿った照射を受け、酸化プロセスを進める。
【００４１】
[0046]  さらなる弁１２４、例えば、バタフライ弁が、出口１０４への流体の送出に必要とされるときにヘッド圧を下げるために、ラインに配設される。弁１２４は、システムの他の弁と同様に、完全に自律的であるように、ＰＬＣに通信可能に結合される。
【００４２】
[0047]  ここで図２を参照すると、図１の反応器板１４６の正面図が、全体的に２００で示される。再度図１を参照すると、略均一的に混合された流れが、エアインジェクタ１１６から反応器板１４６に向けられる。反応器板１４６は、流体が通過する所定の寸法の中心開口を備える。均一な細溝２０２が板１４６の正面に配置され、その数は使用事例に基づいて予め決められ、均等に流体を分散させるように構成される。細溝２０２は、いくつかの実施形態において、板の正面の所定の部分にわたってそれぞれの山及び谷を形成する円形リングである。図２に示す実施形態において、細溝は、外半径から内向きに板の正面の略半分を覆う。いくつかの任意選択の実施形態において、細溝は、キャビテーション部分に対してシールの働きをすることができる。図１から分かるように、フランジによりその部分が容易に再製可能となる。
【００４３】
[0048]  渦流生成部分２０４は、板１４６の中心に向けて内向きに配設され、最初、上方且つ後方に傾斜し、次いで、連続的な凸状の後方への曲線状に湾曲する前縁部を備え、谷部２０８及び略水平後方に延在する上縁部に融合するピーク２１０を有する。これらのピークは「ベーン」と呼ばれてもよい。この形態は、気泡が、気泡／粒子付着を促進する長期間の疎水性力を作成するのに十分小さい寸法で形成し始め、連続的に変化する混合環境において気泡の最適な寸法及び数をもたらすことを保証する。板１４６は、一般に、流体中の有機化合物を分解及び／又は酸化させること可能であることがあり、キャビテーション気泡内に含有される及び／又はそれらと結合されるかなりの量の酸化剤になるヒドロキシルラジカルの量を増やす。
【００４４】
[0049]  反応器板１４６は、金属合金などの、キャビテーションを比較的通さない物質から形成されてもよく、又は、いくつかの実施形態では、弾性エラストマ材料から形成されてもよい。反応器板１４６は、さまざまな異なる形状及び構成で具現化されてもよい。例えば、板は、渦流を誘導する円錐形の表面を含む円錐形でもよく、又は、示されるように、完全に環状でもよい。他の形状が同様に、さまざまな程度に採用されてもよいことが理解されるべきである。
【００４５】
[0050]  ここで図３を参照すると、本発明の１つの実施形態による、「大型化された」図１の流体水処理システムの概略図が、全体的に３００で示される。多くの水改善処理は、「大規模な」処理、よって、高スループットを必要とする。よって、本発明は、容易に大型化し、複数のシステムを組み合わせ、流体のスループットを最適化して増加させるように構成される。ユニットを単一の大きなユニット（例えば、積み重ね可能なユニット）に容易に組み立てる機能により、あらゆる寸法の改善プロジェクトに対する増大された解決方法が可能になる。スタック型システムは、集合入口３０２と、入口マニホルド３０６と、複数の中間入口パイプ３０８と、複数の改善システム１００と、複数の中間出力パイプ３１０と、出力マニホルド３２２と、集合出口３１８と、機械的アクチュエータフレーム３１４と、を備える。
【００４６】
[0051]  集合入口３０２は高スループットのために寸法決めされ、入力マニホルド３０６に接続されて、入力マニホルド３０６と流体連通する。入力マニホルド３０６は、システムスタック型システム１００への流体流れを管理するように構成される液圧マニホルドである。入力液圧マニホルド３０６は、互いに接続される複数の液圧弁及び経路を備える。それは、マニホルドにおける流体挙動制御を可能にするこれらの弁の状態のさまざまな組合せである。マニホルドの多くの知られている機能の１つの例として、入力マニホルド３１６は、スループットを最適化するために、略等しい量の流体がスタック型システムのそれぞれに向けられることを保証するように構成される。入力マニホルド３１６には、いくつかの実施形態において、図１のセンサアレイ、センサハウジング１０６に類似したセンサアレイが取り付けられてもよい。同様に、マニホルドは、図４を参照してより詳細に論じられるＰＬＣと電子通信してもよい。
【００４７】
[0052]  中間入力コネクタライン３０８ｉ〜３０８ｉｉｉｉｉはそれぞれ、マニホルド３０６を改善システム１００ｉ〜１００ｉｉｉｉｉのそれぞれに、及びシステム内の流体改善経路１０１（図１参照）に接続する。システム１００のすべての構成要素がこのスタック型装置３００で必要とされるというわけではなく、いくつかの要素は形態に関して変わるが、類似の機能を実行することは認識されるべきである。一例として、１１２の乾燥薬剤ハウジングは必要としなくてもよく、それらが不要であるので複数のポンプも必要としない。
【００４８】
[0053]  中間出力コネクタライン３１０ｉ〜ｉｉｉｉｉは、出力マニホルド３２２と流体連通する。出力マニホルドは、入力マニホルド３０６と同様に液圧マニホルドであるが、この場合、システムスタック型システム１００を出る流体流れを管理するために構成される。出力液圧マニホルド３２２は、互いに接続される複数の液圧弁及び経路を備える。それは、マニホルドにおける流体挙動制御を可能にするこれらの弁の状態のさまざまな組合せである。マニホルドの多くの知られている機能の１つの例として、出力マニホルド３２２は、集合出力３１８を介したシステムからの送出前の、流体の最適化された混合を保証するように構成される。出力マニホルド３２２には、いくつかの実施形態において、図１のセンサアレイ、センサハウジング１０６に類似したセンサアレイが取り付けられ、特に、システムにおける任意の超過圧力に対処してもよい。同様に、マニホルドは、図４を参照してより詳細に論じられるＰＬＣと電子通信してもよい。
【００４９】
[0054]  作動中、図３のシステムにおいて、流体は、集合入口３０２に入り、入力マニホルド３０６を通過して、中間入力パイプ３０８のそれぞれに入り、次いで、改善経路システム１００を通過し、その地点で、流体は爆発的なキャビテーションを受け、改善されて、中間出力種子３１０に出力され、出力マニホルド３２２に入り、出口、集合出力３１８を通過する。
【００５０】
[0055]  図３をさらに参照すると、機械式昇降システム３１４が示されている。機械式昇降システム３１４は、改善プロジェクトのために必要な流体スループットに応じて、改善システム１００を安全に且つ好都合に積みおろしするように構成される。
【００５１】
[0056]  機械式昇降システムは、ベース３２０と、アクチュエータ３２４と、脚３１６とを備え、脚３１６は、スタック構成中、昇降させる原動力を提供するように構成される昇降ジャッキ３３６に接続されてもよい。ベースによって支持される重量は１０〜２５０トンのオーダーであってもよいことに留意されたい。図３は、昇降システム３１４の２つの昇降ジャッキ３３６のみ示すが、より多くの昇降ジャッキが使用されてもよい。昇降ジャッキ３３６は、原動力を提供するために、液圧ホースを介して液圧ポンプに接続されてもよい。タッチスクリーン、キーボード、マウス、スクリーンなどを有するコンピュータを含んでもよい制御システム（例えば、ＰＬＣ）は、液圧ポンプに接続され、昇降ジャッキ３３６によって加えられる持上力を制御するように構成される。１つの例示的な実施形態によると、制御システム１０８は、各昇降ジャッキを独立して制御するように構成されてもよく、又は、同じ若しくは異なる量の持上力を発生させるために、昇降ジャッキ１０２のいくつか又はすべてを同時に制御するように構成されてもよい。
【００５２】
[0057]  図３をさらに参照すると、昇降システム３１４は、側板３３８をさらに備え、それはコネクタ３３２及び３３４を介した一端のマニホルド３２２及び他端のマニホルド３０６への接続のために構成される。バーが図３に示されるが、大きな板が同様に使用されてもよい。昇降システム３１４は、水平方向に原動力を提供するクローラを備えてもよい。
【００５３】
[0058]  ここで図４を参照すると、流体改善システム、並びにインテリジェントプラットフォーム及び自動化ハードウェア／ソフトウェア装置の概略図が全体的に４００で示される。「インテリジェントプラットフォーム」は一般に、プログラム可能な論理制御装置などの制御装置、高作業性、及び、可用性、冗長性、拡張可能なオープンアーキテクチャ、アップグレード可能なＣＰＵなどを有する高性能システム（例えば、PACSystems）制御装置などに関する。さらに、本発明の実施形態において、効率及びデータ配布を最大化するためにPROFINET（登録商標）を利用する分散Ｉ／Ｏは、Ｉ／Ｏ汎用性を有し、単純な離散から安全及びプロセスＩ／Ｏまでの幅広いＩ／Ｏに接続する。
【００５４】
[0059]  図４に示されるように、ＰＬＣ４０２は、複数の制御装置４０４、４０６、４０８と電子的に結合されて（例えば、配線、無線、Bluetooth（登録商標）など）、それぞれの制御装置がさまざまな弁及びセンサアレイに結合されている。ＰＬＣ４０２は、出力装置の状態を制御するために、入力装置の状態に関するデータを連続的に収集するソフトウェアを実行するように構成される。周知のように、ＰＬＣは通常、プロセッサ（揮発性メモリを含んでもよい）と、アプリケーションプログラムを備える揮発性メモリと、自動システムにおいて他の装置に接続するための１つ又は複数の入出力（Ｉ／Ｏ）ポートとを備える。さらに、ＰＬＣでは、制御レベル上の利用可能なプロセスについてのコンテキストナレッジは、ビジネス分析アプリケーションのために失われている。プラットフォームは、監視制御とデータ収集（ＳＣＡＤＡ）、生産実行システム（ＭＥＳ）、又は企業資源計画（ＥＲＰ）システムにおいてより高いレベルのソフトウェア機能をさらに備えてもよい。任意選択的に、ＰＬＣは「インテリジェントＰＬＣ」であってもよく、それは制御アプリケーションにおいて拡張機能の組合せを提供するように構成されてもよいさまざまな構成要素を備える。例えば、いくつかの実施形態において、インテリジェントＰＬＣは、強く一体化されたデータヒストリアン及び分析機能を含む。この技術は、水改善のためのさまざまな産業上の自動化設定に特に適しているが、それに限定されない。作動中、自動システムコンテキスト情報は、例えば、データを生成した装置の表示のうちの１つ又は複数、インテリジェントＰＬＣを備える自動システムの構造記述、システム作動モードインジケータ、及び、プロセスイメージ領域のコンテキストが生成されたときにもたらされた製品についての情報を含んでもよい。さらに、又は、或いは、コンテキスト化されたデータは、プロセスイメージ領域のコンテキストが生成された間にインテリジェントＰＬＣ又は自動化ソフトウェアの状態を示すステータス起訴者によって利用された自動化ソフトウェアの記述の１つ又は複数を含んでもよい。
【００５５】
[0060]  図４をさらに参照すると、ＰＬＣは、ポンプ１２４及び流体源４０８、センサハウジング１０６、弁４１０、複数のインジェクタコイル１１０、添加剤ポート１１２、並びに、別の感覚アレイ１１４に電子的に結合される。さらなるダウンライン制御装置４０４は、ＰＬＣに通信可能に結合され、添加剤ポート１１２及び１３８とさらに通信する。本発明の任意選択の実施形態において、センサアレイ１０６は、流体の関連する特性のすべてを取得して、その情報を４０２のＰＬＣに送信するように構成される。流体の特性に基づいて、ＰＬＣは、改善プロセスを支援する流れに薬剤を放出することを弁４１４に指示するように構成される。ＰＬＣ４０２は、いくつかの実施形態において、流体の品質に関する所定の情報がロードされている。一例として、選択された流体処理プロセスの種類、処理される汚染物質、既存の水質、望ましい水質、及び他の変数に応じた固相、液相、又は気相である前駆体化合物の異なる種類及び組合せが採用されてもよく、それは例えば、固体として導入される、又は、水若しくは他の溶剤に溶解される、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム、又はカリウムなどのハロゲン塩を備えてもよい化合物である。
【００５６】
[0061]  さらなるセンサアレイ４１２は、処理された流体上のデータを試験及び収集するために設けられ、適切な圧力及び流量を保証するために、設けられてもよい。流体特性が所定の範囲外である場合、１６の別の弁が設けられ、靴は流体の流れを止める。
【００５７】
[0062]  第１エアインジェクタ１１６は、次にＰＬＣ４０２と通信する、さらなる制御装置４０６と通信する。本発明の任意選択の実施形態において、ＰＬＣは、必要とされるキャビテーションの程度に基づいて空気圧を制御するように構成される。制御装置４０６は、反応器板１４６及びバッフル（図示せず）とも通信し、反応器板を回転及び傾斜させて、キャビテーションの程度を変える。第１エアインジェクタと同様に、第２エアインジェクタ１２０及び制御弁１２４は、同様の目的のために制御装置４０６と通信する。
【００５８】
[0063]  さらに図４を参照すると、任意選択のセンサアレイ４２０及びＵＶ反応器４２２が採用されてもよいのと同様に、さらなるアクチュエータ４１８が採用されてもよく、それぞれは、改善された流体４２４を最後に使用する前に、制御装置に接続される。
【００５９】
[0064]  第１及び第２エアインジェクタは、液体中に蒸気キャビティ（すなわち、小さい液体のないゾーン、気泡、又は空隙）を形成するために流体にキャビテーションを引き起こすように構成され、それは、圧力が比較的低いキャビティの形成を引き起こす急速な圧力変化を流体が受けたときに発生する。このように、インジェクタは、キャビテーション気泡に捕捉された蒸気の解離によるプロセスにおけるフリーラジカル形成のために、化学反応を促進し、反応を伝播させるために使用される。
【００６０】
[0065]  反応器板１４６は、第１エアインジェクタと第２エアインジェクタとの間のライン１０１内に配設されて、ＰＬＣ４０２と通信し、ＰＬＣ４０２は、さまざまな方向（例えば、１５度）に反応器板１４６を傾けるように構成される。図２を参照してさらに論じられる反応器板は、キャビテーションゾーン１４４に高揮発性を有する大量の微小気泡があるような、さらなるキャビテーションを引き起こすように構成される。
【００６１】
[0066]  さらなる弁１２４、例えば、バタフライ弁が、出口１０４への流体の送出に必要とされるときにヘッド圧を下げるために、ラインに配設される。弁１２４は、システムの他の弁と同様に、完全に自律的であるように、ＰＬＣに通信可能に結合される。
【００６２】
[0067]  図５は、キャビテーションベースの流体処理のために例示的な方法５００を示すフロー図である。方法５００は、有機化合物を含有する流体を改善チャネルに流すこと（ステップ５０２）を含んでもよい。
【００６３】
[0068]  方法は、改善チャネルと流体連通する注入ポートを使用して、少なくとも１つの薬剤を流体に注入すること（ステップ５０４）をさらに含んでもよい。
【００６４】
[0069]  方法は、注入ポートの下流で改善チャネルと流体連通するエアアクチュエータを使用して、空気のバーストを流体に導入すること（ステップ５０６）をさらに含んでもよい。
【００６５】
[0070]  方法は、皮層を作成する反応器板を通しての流体を流すこと（ステップ５０８）をさらに含んでもよい。
【００６６】
[0071]  方法は、注入ポートの下流で改善チャネルと流体連通する第２位置でエアアクチュエータを使用して、空気のバーストを流体に導入すること（ステップ５１０）をさらに含んでもよい。
【００６７】
[0072]  方法は、改善チャネル内の流体中に少なくとも１つ以上、多くの場合、複数の渦流渦流及びキャビテーションポケットを生成すること（ステップ５１２）をさらに含んでもよい。
【００６８】
[0073]  方法は、改善チャネル内に配設され、エアアクチュエータと電子通信する流量調整弁を使用して流体の流れを調整することであって、流量調整弁が液体内のキャビテーションポケットの数を増加させるために圧力を最適化するように構成される、調整すること（ステップ５１２）と、改善された流体を出力すること（ステップ５１６）とをさらに含んでもよい。
【実施例】
【００６９】
[0074]  実施例
[0075]  実施例は、実施形態を示すことを目的とし、限定と解釈すべきではない。
【００７０】
[0076]  実施例１
図６は、図１〜図５のシステム及び方法を使用する、さまざまな農業行為に基づいて汚染された流体のキャビテーションベースの処理による、流体からの汚染物質の除去についての使用事例を示す。農業行為の生物的及び非生物的な副産物は、結果として環境及び周辺の生態系の汚染又は劣化になる。汚染は、点源汚染から（単一の排出点から）、非点源汚染としても知られている、より広がった景観レベルの原因にわたるさまざまなソースから来ることがある。例示的な汚染物質は、フッ化物、鉛、ヒ素、カドミウム、クロム、セレン、及びニッケルを含む。有機肥料も、例示的なプロセスを使用して処理されてもよい汚染物質である。
【００７１】
[0077]  図６に示された、製品を処理するために使用される水６０４の入力と流体連通する農場（処理プラント）が６０２で示される。出力された褐色水又は汚染水は、動物、野菜、及び石油からの脂肪有機物を分解及び濾過する油及び脂肪クラリファイヤに入る前に、廃棄物固体を取り除くために、固体スクリーニングに向けられる。次いで、結果として得られた流体は、スタック型キャビテーションシステム３００を備える図３のキャビテーション改善システムに向けられる。水は、改善されると、さまざまな用途のために最終タンク６０８に向けられる。
【００７２】
[0078]  本発明が、最も実用的且つ好ましい実施形態であると現在考えられているものに関連して説明されたが、本発明はこれらの本明細書に開示された実施形態に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれるさまざまな修正及び等価の装置のすべてを対象として含むことが意図される。
【００７３】
[0079]  本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面に示されてもよく、他の図面には示されなくてもよいが、これは便宜上のものである。本発明の原理によると、１つの図面の特徴は、任意の他の図面における特徴の一部又は全部と組み合わされてもよい。本明細書で使用されるような「含む（including）」、「備える（comprising）」、「有する（having）」、及び「伴う（with）」という語は、広義且つ包括的に解釈されるべきであり、いずれかの物理的相互接続に限定されない。さらに、本明細書に開示されるいずれの実施形態も、唯一の可能な実施形態と解釈すべきではない。むしろ、修正及び他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図１】
2020501893.tif 000003
【図２】
2020501893.tif 000004
【図３】
2020501893.tif 000005
【図４】
2020501893.tif 000006
【図５】
2020501893.tif 000007
【図６】
2020501893.tif 000008
【国際調査報告】
2020501893.tif 000009
2020501893.tif 000010
2020501893.tif 000011