DE19750939A1

DE19750939A1 - Sprudler

Info

Publication number: DE19750939A1
Application number: DE1997150939
Authority: DE
Inventors: William Alan Burris
Original assignee: Individual
Current assignee: BURRIS, WILLIAM ALAN, RUSH, N.Y., US
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: FR2755877A1; GB2319189A; FR2755877B1; DE19750939B4; US5858283A; GB2319189B; GB9723724D0

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sprudler zum verteilten Abgeben kleiner Gasbläschen in eine Flüssigkeit.

Hintergrund der Erfindung

Mein US-Patent 5 422 043 beschreibt eine Verbesserung bei einem Sprudler, der kleine Gasbläschen in einer Flüssigkeit wirksam verteilt. Der Sprudler erreicht dieses im wesentlichen mit Hilfe eines gasdurchlässigen Diffusors, der eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie zu der Flüssigkeit hat, die es erlaubt, daß sich feine Bläschen von der Grenzfläche lösen und in die Flüssigkeit eintreten. Die Grenzfläche hoher Oberflä chenenergie ist vorzugsweise mit einem Material niedriger Ober flächenenergie hinterlegt, das eine Flüssigkeitsrückströmung verhindert und dem durchströmenden Gas einen niedrigen Wider stand entgegensetzt. Bezüglich der Details, mit denen diese Wirkungen bei einem dünnen und preiswerten Diffusor erreicht werden, wird auf die vorgenannte US-Patentschrift 5 422 043 verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme hiermit zum Offenba rungsgehalt dieser Anmeldung gemacht wird.

Die Vergrößerung eines Sprudlers derart, daß sein Diffusor eine große Oberfläche aufweist, die die feinen Bläschen über ein großes Flüssigkeitsvolumen verteilen kann, erforderte einige Abweichungen von der einschlägigen Sprudlertechnik. Es ist bei spielsweise wünschenswert, aber schwierig sicherzustellen, daß ein Sprudler mit großer Oberfläche in Betrieb nicht aufgebläht und zum Aufschwimmen gebracht wird. Wenn der Diffusor des Sprudlers aus zwei Schichten besteht, was oft erwünscht ist, dann ist es vorteilhaft, daß ein befriedigender Weg gefunden wird, daß diese Schichten über den gesamten Arbeitsbereich des Sprudlers miteinander in Berührung bleiben. Eine Kissenbildung des Diffusors muß vermieden werden ebenso wie alles, was anson sten dazu führen würde, daß kleine Bläschen sich aneinanderhän gen oder sich in größere Bläschen vereinigen. Große Sprudler können vorteilhafterweise aus flexiblen Materialien hergestellt werden, so daß sie einfach handhabbar sind. Diese Erfindung richtet sich auf diese und andere Probleme, die bei einem wirk samen und preiswerten Sprudler gelöst werden sollen, der eine große Diffusoroberfläche aufweist.

Übersicht über die Erfindung

Die Realisierung all der gewünschten Merkmale bei einem Sprud ler, der einen Diffusor großer Oberflächenabmessungen hat, ver langt einen dünnen, flachen, gasdurchlässigen Diffusor, der an einer Unterlageschicht befestigt ist, die das zuströmende Gas der Unterseite des Diffusors derart zuführt, daß das Gas nur durch den Diffusor und in die Flüssigkeit strömt. Der Diffusor und die Unterlageschicht sind um einen Rand des Sprudlers und in einer kurzen Linie oder einem Punktmuster von Haftbereichen, die innerhalb des Umfangs angeordnet sind, miteinander verbun den. Ein Spalt zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht erlaubt es dem zuströmenden Gas, sich um die Haftbereiche und über die gesamte Fläche innerhalb des Umfangs zu verteilen, so daß der Großteil der Diffusorfläche mit zuströmendem Gas ver sorgt wird. Die Haftbereiche, wo Diffusor und Unterlageschicht miteinander verbunden sind, nehmen nur eine minimale Fläche ein, damit die Diffusorfläche so wenig wie möglich blockiert wird. Eine solche Haft- und Verbindungsanordnung kann den Dif fusor im Betrieb über den gesamten Spalt im wesentlichen flach und nahezu parallel zur Unterlageschicht halten. Mit anderen Worten, diese Anordnung minimiert Aufblähen oder Kissenbildung des Diffusors und eine Verbreiterung des Spaltes als Folge des einströmenden Gases. Dieses hat mehrere Vorteile beim Diffu sorbetrieb, wie unten erläutert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Teildarstellung, teilweise weggeschnitten, einer bevorzugten Ausführungsform eines Sprudlers gemäß der vorliegenden Erfindung von der Seite;

Fig. 2-4 sind schematische Teildarstellungen alternativer Muster von Punkten und Linien, an denen ein Diffusor mit einer Unterlageschicht verklebt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 und 6 sind schematische Seitenansichten alternativer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Diffusors.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Musters kleiner Verbindungspunkte zwischen Schichten hoher und niedriger Oberflächenenergie eines Diffusors, der zur Verwendung bei der Erfindung bevorzugt ist.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Punktmusters kleiner Verbindungspunkte, die zwischen den Diffusorschichten von Fig. 7 ausgebildet sind.

Fig. 9 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusors, und

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung der maximalen Wölbung eines Diffusors, das durch die Erfindung erlaubt ist.

Detaillierte Beschreibung

Der Sprudler 10 von Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die einen großflächigen Diffusor 11 enthält, der an einem Unterlageelement 12 befestigt ist. Obgleich viele andere Alternativen verfügbar sind, wie unten erläutert wird, besteht der Diffusor 11 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 aus zwei gasdurchlässigen Schichten 13 und 14 und einer darunterliegenden gasundurchlässigen Schicht 12, die aus einem steifen Plastik- oder Metallmaterial gebildet ist.

Die Verbindung zwischen dem Diffusor 11 und der Unterlage schicht 12 ermöglicht es, daß Gas, das durch den Einlaß 15 zuströmt, um die Verbindungsbereiche und über einen Zwischen lagespalt, wo das Gas mit der Unterseite des Diffusors 11 in Berührung ist, breit verteilt wird. Das Gas, für das kein ande rer Auslaß vorhanden ist, strömt dann durch den Diffusor 11 als Bläschen in eine Flüssigkeit aus, in die der Sprudler 10 einge taucht ist. Die bevorzugten Details und einige der Alternativen einer solchen Anordnung werden unten erläutert.

Diffusor

Für einen großflächigen Sprudler ist der Diffusor 11 vorzugs weise dünn und flach, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Oberseite des Diffusors 11 bildet eine Grenzfläche innerhalb der Flüssig keit, in die der Sprudler 10 eingetaucht ist. Die Oberfläche der Grenzfläche hat vorzugsweise eine hohe Oberflächenspannung oder -energie von wenigstens 46 Dynes/cm, um sicherzustellen, daß die Bläschen, die aus der Diffusorgrenzfläche in die Flüs sigkeit austreten, so klein wie möglich sind. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die Oberfläche hoher Energie der Grenzfläche oder Schnittstelle von einer Schicht 13 gebil det, die von einer darunterliegenden Schicht 14 getrennt ist. Die Grenzflächenschicht 13 ist vorzugsweise gleichförmig porös mit einer Vielzahl feiner Poren, die die Gasströmung gleich mäßig verteilen und eine übermäßige Gasströmung aus größeren Öffnungen vermeiden.

Die stromaufwärtige Schicht 14 hat eine niedrige Oberflächen spannung oder -energie von vorzugsweise weniger als 46 Dynes/cm und sehr kleine und vorzugsweise gleichmäßige Poren, so daß sie einer Flüssigkeitsrückströmung widersteht und einen mäßig brem senden Weg bildet, der für die Gasströmung durchlässig ist.

Indem sie einen gewissen Gasströmungswiderstand kombiniert mit feinen und gleichmäßig verteilten Poren bildet, teilt die stromaufwärtige Schicht 14 die Gasströmung in eine Vielzahl feiner Strömungswege auf. Die stromaufwärtige Schicht 14 dient auch als ein Rückschlagventil, das eine Rückströmung der Flüs sigkeit durch die Schicht 13 verhindert, wenn die Gasströmung unterbrochen ist. Die Schicht 14 bietet zusätzlich Festigkeit und konstruktive Stütze, so daß die kombinierten und zusammen wirkenden Festigkeiten der Schichten 13 und 14 ermöglichen, daß der Diffusor 11 dem zugeführten Gasdruck widersteht. Mehr Information über die bevorzugten Materialien und Eigenschaften eines doppelschichtigen Diffusors 11 kann aus der genannten US-PS 5 422 043 entnommen werden.

Diese wünschenswerte Kombination von Eigenschaften minimiert die Energie, die notwendig ist, um Gas durch den Diffusor 11 zu drücken, während gleichzeitig sichergestellt ist, daß die Gas bläschen, die aus den feinen Poren in der Grenzflächenschicht 13 austreten, so klein wie möglich sind. Die Zerteilung der Gasströmung in die kleinsten Bläschen hat zur Folge, daß die größte Kontaktfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit ent steht, wenn die Bläschen aufsteigen. Dieses wiederum sichert die wirksamste Ausnutzung des in die Flüssigkeit eingeblasenen Gases.

Es ist auch möglich, den Diffusor 11 in einer einzigen integra len Schicht aus einem Material auszubilden, das im allgemeinen eine niedrige Oberflächenenergie aufweist, jedoch an der Grenz fläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung ist, eine hohe Oberflächenenergie hat. Oberflächenbeschichtungen aus verschie denen Materialien können dieses sicherstellen, wie auch Behand lungen beispielsweise durch Oxidation oder Aussetzen einem Plasma. Die Grenzflächenoberfläche von porösen Materialien gewisser kleiner Oberflächenenergie, wie beispielsweise spun bonded Polyolefin kann eine höhere Energie erhalten und daher für die Diffusor wirksamer sein, wenn man solche Materialien für eine bestimmte Zeitdauer mit Wasser tränkt. Der Diffusor muß eine Vielzahl feiner Poren haben, und diese haben vorzugs weise gleichförmige Größe und Verteilung, um die Gasströmung in eine Vielzahl feiner Zweige durch den Diffusor aufzuteilen. Der Diffusor muß auch fest genug sein, um das Gas in einem Spalt unterhalb des Diffusors festzuhalten, und muß sowohl gegenüber dem Gas als auch gegenüber der Flüssigkeit widerstandsfähig sein.

Der Diffusor 11 kann auch aus einer einzigen Schicht aus einem gleichförmig feinen porösen Material bestehen, das vorzugsweise eine hohe Oberflächenenergie hat. Festigkeit, Materialwider stand und gleichförmige Verteilung feiner Poren sind für einen erfolgreichen Diffusor wichtig. Eine einzige Schicht aus einem porösen Material hoher Oberflächenenergie kann ebenfalls als Diffusor arbeiten, hat jedoch keinen Widerstand gegen das Ein dringen von Wasser, wenn die Gasströmung unterbrochen ist. Ein solcher Diffusor wird vorzugsweise mit einem Rückschlagventil kombiniert, das stromaufwärts oder in einer Unterlageschicht angeordnet ist, um einer Rückströmung zu widerstehen, wenn die Gaszuströmung abbricht. Eine Vielzahl Rückschlagventile sind auf dem Markt für diesen Zweck verfügbar und einsatzbar, ein schließlich Pilz- oder Schirmventile, Klappenventile, elastomere Schlitzventile und viele andere. Ein geeignetes Rückschlagven til kann die Funktion der niedrigen Oberflächenenergie der Schicht mit der Funktion der Rückströmungsunterdrückung in die Gaseinlaßleitung kombinieren, es kann jedoch weniger wirksam bei der Verminderung eines Eindringens von Flüssigkeit oder von mit der Flüssigkeit mitgeführten Verunreinigungen in die Diffu sorporen sein. Ein Diffusor ohne eine Schicht geringer Oberflä chenenergie ist vorzugsweise geeignet widerstandsfest gegen den Gasdruck und ist gleichförmig feinporös.

Die Ausführungsform des Sprudlers 50 in Fig. 9 zeigt schema tisch die Möglichkeit der Anordnung eines Rückschlagventils 55 in einer Unterlageschicht 52, an der ein darüberliegender Dif fusor 51 befestigt ist. Das Rückschlagventil 55 ist vorzugs weise mit einem Gasströmungseinlaß 15 kombiniert, und die Ver bindung des Diffusors 51 mit der Unterlageschicht 52 kann irgendeine der unten beschriebenen günstigen Lösungen erfolgen. Ein Rückschlagventil kann zusammen mit einer Schicht geringer Oberflächenenergie, die einer Rückströmung widersteht, nützlich sein, um Rückströmung in Fällen zu verhindern, wo der Wasser druck die Widerstandsfestigkeit der Schicht hoher Oberflächen spannung überschreiten kann oder die porösen Schichten nach dem Unterbrechen der Gasströmung übermäßig belasten sollte.

Wenn der Diffusor 11 aus zwei Schichten 13 und 14 besteht, sind diese vorzugsweise, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, miteinan der verbunden. Für Sprudlerzwecke wirken die mehreren Schichten des Diffusors 11 vorzugsweise wie eine einzige integrale Schicht, so daß das Verbinden der Schichten 13 und 14 miteinan der sie vorzugsweise innig miteinander vereinigt. Die Gasströ mung durch die Schichten 13 und 14 erfolgt vorzugsweise gerad linig durch diese Schichten in einer zu ihrer Ebene senkrechten Richtung, und eine Gasquerströmung zwischen den Schichten 13 und 14 ist zu vermeiden. Neben dem Verbinden, das dieses Ziel verfolgt, ist es auch wünschenswert, daß die Schicht 13 etwas poröser als die Schicht 14 ist. Die Gasströmung durch die Schicht 14 trifft dann keinen erhöhten Widerstand an, wenn sie auf die Schicht 13 trifft, und sie neigt daher dazu, durch die Schicht 13 geradlinig hindurchzuströmen und nicht sich in Quer richtung zwischen den Schichten 13 und 14 zu verteilen.

Ich bevorzuge, daß die Verbindung zwischen den Schichten 13 und 14 mehrere Klebepunkte 16 verwendet, die in regelmäßiger Anord nung verteilt sind, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt. Viele andere Anordnungsmuster können verwendet werden, und der Abstand zwischen Klebepunkten kann variiert werden, solange die Schichten 13 und 14 noch sicher miteinander verbunden werden und die Fläche des Diffusors, die für die Ausströmung von Gas zur Verfügung steht, so wenig wie möglich blockiert wird. Da eine Gasquerströmung zwischen den Schichten 13 und 14 nicht erwünscht ist, kann das Verbindungs- oder Klebemuster geschlos sene Figuren enthalten, wie beispielsweise Kreise oder Qua drate. Gitter- und Kreuzmuster sind ebenfalls möglich, und zufriedenstellende Verbindungsmuster sind nur durch den Wunsch beschränkt, die Verbindungs- oder Klebeflächen zu minimieren, während gleichzeitig die Verbindung zwischen den Schichten 13 und 14 so innig wie möglich gemacht wird.

Ein bevorzugter Weg, die notwendige Verbindung zu erzielen, besteht in der Verwendung eines hochviskosen Klebstoffs, der nicht durch Kapillarwirkung fließt und nicht ausfließt oder durch die Schichten 13 und 14 hindurchfließt. Neben dem Erzie len einer zuverlässigen Verbindung zwischen den Schichten sollte ein Klebstoffpunkt oder eine Klebstofflinie so klein wie praktisch möglich sein und sollte klein bleiben, wenn die Schichten mit dem zwischen ihnen angebrachten Klebstoffmuster zusammengedrückt werden. Dieses kann man dadurch erreichen, daß man die Klebstofflinien oder -punkte 16 auf eine der Schichten 13 oder 14 im Tiefdruckverfahren aufbringt und die Schichten dann über dem aufgedruckten Muster zusammendrückt. Das resul tierende Laminat 11 hat Schichten, die im wesentlichen mitein ander vereinigt sind und für die Durchströmung von Gas im wesentlichen durchlässig sind.

Unterlageschicht

Ein Zweck einer Unterlageschicht eines Diffusors in meinem Sprudler besteht darin, das einströmende Gas auf einen Spaltbe reich unter dem Diffusor zu beschränken, so daß das Gas nicht durch irgendeinen anderen Weg als durch den Diffusor und in die Flüssigkeit als feine Bläschen entweichen kann. Die Unterlage schicht kann Gewicht hinzufügen, um den Diffusor in der Flüs sigkeit eingetaucht zu halten, und sie kann auch dabei helfen, daß der Diffusor im Betrieb ein flaches Profil beibehält. Ein Gaseinlaß 15 richtet das zuströmende Gas in einen Spaltbereich zwischen der Unterlageschicht und dem Diffusor, und ein Einlaß kann verzweigt oder auf vielfache Weise vervielfacht sein.

Die steife Unterlageschicht 12 der Ausführungsform nach Fig. 1 ist eine von mehreren Möglichkeiten. Das Element 12 kann aus Metall, Plastikmaterial, Keramik, Glas, Beton oder anderen Materialien bestehen, die mehrere Vorteile bieten. Zu diesen gehört, daß der Diffusor 11 flach gehalten wird, indem es eine steife flache Oberfläche anbietet, an die der Diffusor 11 ange klebt ist. Die Schicht 12 kann auch das notwendige Gewicht bereitstellen, um den Sprudler 10 auf den Boden eines Tankes oder Beckens für Flüssigkeit abzusenken, die Bläschen aufnehmen soll. Eine steife Unterlageschicht 12 bietet auch konstruktiven Halt, ermöglicht es, den Diffusor 11 dünner und flexibler zu machen und ermöglicht auch die Unterbringung eines Rückschlag ventils im Gaseinlaß 15.

Flexibilität und leichtes Gewicht sind bei einem Sprudler eben falls erwünscht, insbesondere weil diese Eigenschaften zu nied rigen Kosten beitragen. Ein Beispiel eines flexiblen und leichten Sprudlers 20, der eine Schicht 22 verwendet, die unter einem Diffusor 21 liegt, ist in Fig. 5 gezeigt. Die Unterlage schicht 22 besteht vorzugsweise aus einem dünnen Kunstharzmate rial, und bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist die Schicht 22 geprägt oder in anderer Weise mit Höckern oder Vorsprüngen 26 versehen, die beim Verkleben der Schichten 21 und 22 mitwirken, wie unten im Detail erläutert wird.

Mit der Unterlageschicht 22 sind Gewichte 25 kombiniert, um einem Aufschwimmen entgegenzuwirken. Flexibilität und leichtes Gewicht können ein Falten oder Rollen eines großflächigen Sprudlers ermöglichen, um die Handhabung und Wartung zu erleichtern.

Der Sprudler 30 von Fig. 6 zeigt die Möglichkeit, die Unter lageschicht aus mehreren Schichten und Materialien herzustel len. Die Schicht 32, die unter dem Diffusor 31 liegt, hat eine untere Lage 33, die mit der Schicht 32 längs im Abstand zuein ander parallel angeordneter Linien 34 verklebt ist, die Gewichtstaschen 36 bilden. Diese können mit einem preiswerten Material, wie beispielsweise Sand, gefüllt werden, das einem Aufschwimmen des Sprudlers 30 entgegenwirkt.

Verkleben von Diffusor und Unterlageschicht

Der Diffusor und die Unterlageschicht sind an ihrem Umfang mit einander verklebt, so daß die gasundurchlässige Schicht das ein strömende Gas an der Unterseite des Diffusors einschließt. Diese Schichten sind innerhalb ihres Umfangs in einem Muster von Klebebereichen miteinander verklebt, was es erlaubt, daß das Gas durch einen Spalt zwischen dem Diffusor und der Unter lageschicht strömt. Das Klebemuster hält den Diffusor und die Unterlageschicht auch im wesentlichen parallel zueinander über den gesamten Spalt, so daß der Diffusor nicht wesentlich aus baucht und die Spaltbreite nahe einem Minimum gehalten wird.

Viele Klebeanordnungen und Muster können zur Erreichung dieses Zieles gewählt werden. Ein Klebemuster aus kurzen Klebstoff linien 41 beispielsweise, klebt den Diffusor 11 an das steife Element 12 beim Sprudler 10 der Fig. 1 und 2. Kurze Klebelinien 41 sind innerhalb einer Randverklebung 40 angeordnet, so daß das einströmende Gas und die und zwischen die Klebelinien 41 strö men und sich über die unverklebte Fläche innerhalb der Randver klebung 40 ausdehnen kann. Die Klebelinien 41 sind vorzugsweise nicht dichter beieinander als notwendig ist, um den Diffusor 11 an einer Kissenbildung zu hindern. Der Abstand zwischen Klebe linien oder -punkten hängt teilweise von der Festigkeit und der Dehnfähigkeit des Diffusors 11 ab, da diese Eigenschaften die Möglichkeit eröffnen, daß ein starrer und im Wesentlichen nicht dehnfähiger Diffusor eine größere Distanz zwischen Klebeberei chen überspannen kann, während ein schwächerer oder mehr dehn fähiger Diffusor nur kürzere Distanzen zwischen Klebebereichen überspannen kann.

Eine gewisse vernachlässigbare Kissenbildung des Diffusors zwi schen Klebebereichen ist unvermeidbar, jedoch wird diese vor zugsweise dadurch minimiert, daß die Klebebereiche nahe genug beieinander angeordnet werden. Die bevorzugte, maximal zuläs sige Kissenbildung des Diffusors 11 zwischen Klebelinien 41 ist schematisch in Fig. 10 dargestellt. Von einer Linie a, die sich zwischen zwei benachbarten Klebebereichen 41 erstreckt, ist die maximale Kissenhöhe b des Diffusors 11 vorzugsweise auf etwa 6 mm beschränkt, ohne Rücksicht auf die Distanz zwischen den Kle bebereichen. Die Höhe b kann auch als als die Spalthöhe zwi schen einem Diffusor und einer Unterlageschicht (in Fig. 10 nicht dargestellt) angesehen werden, und eine solche Spalthöhe ist ebenfalls vorzugsweise auf ein Maximum von etwa 6 mm beschränkt. Da die Spalthöhe teilweise ein Funktion der Dehnfä higkeit eines Diffusors ist, der eine Distanz zwischen Klebe linien 41 überspannt, hängt die Höhe b auch von der Länge der Strecke a ab. Der bevorzugte Zusammenhang zwischen diesen Ter men besteht darin, daß die vom Gasdruck abhängige Zunahme der Diffusorhöhe b über der Linie a, die sich zwischen den Klebebe reichen 41 erstreckt, den größeren Wert von etwa 30% der Länge der Linie a oder von etwa 6 mm nicht überschreiten sollte.

Eine Kissenbildung eines Diffusors zwischen Klebebereichen beeinträchtigt auch die Abschälkraft, mit der der Diffusor auf Klebebereiche in Abhängigkeit von dem Druck des einströmenden Gases unter dem Diffusor einwirken kann. Es ist wünschenswert, die Klebeabschälkräfte unter kleinen Winkeln zu halten, da Kle bebereiche gegenüber Abschälkräften weniger Widerstand aufwei sen, als gegenüber Zugkräften. Aus diesem Grunde bevorzuge ich, daß ein Winkel alpha des Diffusors 11 oberhalb der Linie a zwi schen Klebebereichen einen Winkel von etwa 30° nicht über schreitet. Dies gilt insbesondere für größere Diffusorspann weiten zwischen benachbarten Klebebereichen, weil längere Spannweiten eine größere Fläche einer Diffusorspannweite dem Gasdruck aussetzen, wodurch die Abschälkraft vergrößert wird.

Ein geringer Abstand der Klebelinien 41 voneinander hat mehrere Vorteile. Er verteilt die Klebefestigkeit periodisch und gleichförmig über die gesamte Spaltfläche des Sprudlers und er hält den Diffusor 11 nahezu flach und ohne Kissenwölbungen, weil nur kurze Distanzen zwischen Klebelinien 41 überspannt werden. Die Verklebungen haben im allgemeinen auch eine größere Zugfestigkeit als Abschälfestigkeit, so daß das Flachhalten des Diffusors vermeidet, daß die Verklebungen der Abschälkraft aus gesetzt werden. Indem der Diffusor nahezu flachgehalten wird und ihm nicht ermöglicht wird, Kissen größerer Höhe zwischen weiter beabstandeten Klebereichen zu bilden, treten die Bläs chen in die Flüssigkeit aus einer ebenen Oberfläche aus, die annähernd senkrecht zur Bläschenaufsteigrichtung ist, was hilft, das Zusammenwachsen von Bläschen zu vermeiden. Ein stark kissenförmiger Diffusor würde Bläschen aus Diffusoroberflächen abgeben, die gegen die Bläschenaufsteigrichtung geneigt sind, was die Wahrscheinlichkeit begünstigt, daß Bläschen, die von tieferen Bereichen abgegeben werden, sich an Bläschen anhängen, die den Diffusor an höheren Bereichen verlassen. Auch neigt Gas dazu, sich in den höchsten Bereichen eines kissenförmigen Dif fusors zu konzentrieren, wo der hydraulische Druck am niedrig sten ist. Diese beide Faktoren vermindern die gleichförmig breite Verteilung feiner Bläschen. Schließlich vermindern kurze Spannweiten zwischen Klebebereichen die Materialfestigkeit, die notwendig ist, das ein Diffusor dem Druck des Gases in dem darunterliegenden Spalt widersteht. Je kleiner die dem Gasdruck ausgesetzten Flächen zwischen Klebebereichen sind, umso gerin ger ist die Festigkeit, die sowohl vom Diffusor als auch von den Verklebungen gefordert werden muß.

Die verschiedensten Variationen der Muster kurzer Klebelinien sind möglich, wie die Ausführungsform von Fig. 3 zeigt, wo die Klebelinien 41 in einem Fischgrätmuster angeordnet sind. Ein Gaseinlaß 15 ist in einem Sprudlerendbereich angeordnet, und Gas strömt um die und zwischen den im Winkel angeordneten Kle belinien, um sich über die gesamte Spaltfläche innerhalb der Umfangsverklebung 42 auszudehnen.

Punktförmige Klebebereiche können an stelle kurzer Klebelinien gewählt werden, wie in der Ausführungsform von Fig. 4 gezeigt ist. Wie die Klebelinien 41 sind auch die Klebepunkte 43 eng genug beabstandet, um jegliche wesentliche Kissenbildung des Diffusors zu vermeiden, wie oben erläutert.

Eine Klebemustergestaltung, die zu vermeiden ist, besteht aus geschlossenen Figuren, wie beispielsweise Kreisen oder Qua draten, die das Gas daran hindern würden, in Diffusorbereiche zu strömen, die innerhalb der geschlossenen Figuren liegen. Neben der Forderung, daß das Gas über eine gesamte Spaltfläche strömen können muß, die unter einem Diffusor liegt, sollte ein Klebemuster auch nur eine minimale Fläche des Diffusors besetzen, so daß eine Maximalfläche für die Durchströmung des Gases und die Bildung kleiner Bläschen verfügbar bleibt.

Klebstoffe, die für die Klebelinien oder -punkte verwendet wer den, sind vorzugsweise viskos und nicht durch Kapillarkräfte fließfähig, damit die Diffusorporen so wenig wie möglich blockiert werden und sichergestellt wird, daß der Klebstoff nicht durch den Diffusor austritt. Klebstoff, der die Flüssig keitsgrenzfläche des Diffusors erreicht, ist unerwünscht, weil er die Oberflächenenergie herabsetzt und die Bläschengröße steigert.

Die Verbindungsbereiche zwischen einem Diffusor und einer Unterlageschicht brauchen nicht notwendigerweise verklebt sein. Verbindungen durch Anlösen und durch Thermoverschweißen sind ebenfalls möglich. Es sollten jedoch Klemm- oder mechanische Anordnungen vermieden werden, die sich etwas über die obere, d. h. die Flüssigkeitsgrenzfläche des Diffusors hinaus er strecken. Schraubenköpfe, Klammern, Klemmstäbe oder dgl., die an oder oberhalb der Diffusoroberfläche vorhanden sind, ergeben eine Fläche geringer Oberflächenspannung, die zur Folge hat, daß kleine Bläschen zu größeren Bläschen zusammenwachsen, bevor sie die Diffusoroberfläche verlassen. Eine Klammer am Rand ist eine mögliche Ausnahme, insbesondere wenn eine breite Umfangs verbindung 40 zwischen dem Diffusor und dem darunterliegenden Element verwendet wird, so daß eine Umfangsklammer sich nicht in die blasenerzeugende Fläche des Diffusors innerhalb der Rand verbindung erstreckt.

Zwischen dem Diffusor und einer Unterlageschicht kann eine gewisse Art Abstandshalter angeordnet werden, um eine gewünsch te Minimalbreite des Spaltes zwischen den zwei Elementen einzu richten. Ich bevorzuge, daß die Spaltbreite nicht größer als etwa 6 mm ist. Sehr viel kleinere Spaltbreiten werden bevor zugt, solange der Spalt selbst der Gasströmung durch den Spalt keinen übermäßigen Widerstande entgegensetzt. Ein Verbindungs bereichsmuster, das von einem Klebstoff und insbesondere einem hochviskosen Klebstoff gebildet ist, kann als dünner Abstands halter dienen, der den Diffusor und eine Unterlageschicht aus reichend weit voneinander trennt, um es zuströmendem Gas zu ermöglichen, sich über den gesamten unverklebten Diffusorbe reich breit auszudehnen.

Ein weiterer Weg, eine minimale Spaltbreite sicherzustellen, ist in Fig. 5 durch die geprägten Vorsprünge 26 dargestellt, die in der Unterlageschicht 22 ausgebildet sind. Die Vorsprünge 26 sind vorzugsweise in einem Verbindungsmuster aus kurzen Linien oder Punkten angeordnet, wie zuvor erläutert, so daß das Gas zwischen den und um die Vorsprünge 26 strömen kann. Der Diffusor 21 wird dann mittels eines Klebstoffs, eines Lösungs mittels oder durch Thermoverschweißung an den Scheiteln der Vorsprünge 26 befestigt. Ähnliche Vorsprünge können am Diffusor 21 ausgebildet sein, die sich nach unten zu Anlagepunkten erstrecken und mit einer flachen Unterlageschicht verbunden sind.

Ein weiterer Weg der Einrichtung einer minimalen Spaltbreite ist bei dem Sprudler 30 von Fig. 6 dargestellt. Hier sind Abstandshalter 39 zwischen dem Diffusor 31 und der Unterlage schicht 32 angeordnet, wo sie mit beiden Schichten verbunden sind, um feste Verbindungen zwischen den Schichten herzustel len. Die Abstandshalter 39 können aus einer Vielzahl Materia lien hergestellt sein und können in vielen Konfigurationen angeordnet sein, die es erlauben, daß das Gas um die Abstands halter 39 strömt, und die sichere Verbindungen zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht mittels der Abstandshalter herstellen. Eine Gruppe aus Abstandshaltern 39 kann beispiels weise durch Elemente miteinander verbunden sein, die dünner sind, als die Spaltbreite, so daß die Abstandshalterverbindungs elemente die Gasströmung über die gesamte Sprudlerfläche nicht behindern. Die Abstandshalter 39 können auch aus Materialien gewählt sein, die das Verbinden sowohl mit dem Diffusor als auch der Unterlageschicht erleichtern. Beispielsweise kann die Gruppe Abstandshalter 39 aus einem Material gebildet sein, das bei einer Temperatur erweicht und verklebt, die niedriger ist, als die entsprechenden Erweichungstemperaturen von Diffusor und Unterlageschicht. Jegliche Abstandshalteranordnung hält den Spalt vorzugsweise auf einer minimalen ausführbaren Höhe, genauso wie eine Diffusorkissenbildung vorzugsweise minimiert wird. Das Optimum ist ein schmaler und unausgebauchter, aber betriebsfähiger Spalt.

Eine sorgfältige Auswahl und Kombination von Sprudlermateria lien zur Befriedigung der oben erwähnten Forderungen kann groß flächige Sprudler hervorbringen, die wirtschaftlich, leicht und flexibel sind und einfach zu handhaben sind. Im Betrieb können solche Sprudler hochwirksam sein, indem sie wenig Energie erfordern, um Gas durch den Diffusor zu drücken, und indem sie die Gasströmung in eine große Vielzahl kleiner Bläschen wirksam aufteilt. Ein Sprudler, der in Übereinstimmung mit meiner Erfindung hergestellt ist, kann durch Minimierung der erforder lichen Gasmenge, Maximierung der Wirkung des verwendeten Gases und durch breite Verteilung dieser Wirkung innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens hoch wirtschaftlich sein.

Claims

1. Sprudler zum Abgeben von Gasbläschen in eine Flüssigkeit unter der Flüssigkeitsoberfläche, enthaltend:

a) einen dünnen, flachen gasdurchlässigen Diffusor, der an einer Unterlageschicht befestigt ist, um einen freien Spalt zu bilden, der ein einströmendes Gas aufnimmt und es diesem erlaubt, nur durch den Diffusor zu entweichen;
b) der Diffusor und die Unterlageschicht sind in voneinander beabstandeten Verbindungsbereichen miteinander verbunden;
c) die Verbindungsbereiche sind so gestaltet und beabstandet, daß das einströmende Gas um die Verbindungsbereiche strömen und die Spaltfläche, die nicht von den Verbindungsbereichen besetzt ist, innerhalb des Umfangs füllen kann; und
d) der Abstand zwischen den Verbindungsbereichen ist unter Berücksichtigung der Festigkeit und der Dehnfähigkeit des Diffusors derart gewählt, daß eine Breitenzunahme des Spaltes unter dem Druck des einströmenden Gases nicht den größeren Wert von etwa 6 mm oder etwa 30% des Abstandes zwischen benachbarten Verbindungsbereichen übersteigt.

2. Sprudler nach Anspruch 1, bei dem die Spaltbreitenzunahme kleiner als etwa 6 mm ist.

3. Sprudler nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor und die Unterlageschicht flexibel sind.

4. Sprudler nach Anspruch 1, enthaltend Abstandshalter zur Einrichtung einer Spaltbreite zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht.

5. Sprudler nach Anspruch 1, bei dem kein Sprudlerelement sich oberhalb einer Flüssigkeitsgrenzfläche des Diffusors innerhalb der Randverbindung erstreckt.

6. Sprudler nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie besteht, die mit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie verbunden ist.

7. Sprudler nach Anspruch 6, bei dem die Verbindung der Diffu sorschichten an einer Vielzahl kleiner Bereiche hergestellt ist.

8. Sprudler nach Anspruch 7, bei dem die Verbindung der Diffu sorschichten eine Gasquerströmung zwischen den Diffusorschich ten im wesentlichen unterdrückt.

9. Sprudler nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie zur Flüssigkeit und eine Grenz fläche niedriger Oberflächenenergie zum Gas hat.

10. Sprudler nach Anspruch 1, enthaltend ein Element, das einer Flüssigkeitsrückströmung durch den Diffusor bei Unterbrechung der Gaszuströmung widersteht.

11. Sprudler nach Anspruch 10, bei dem das Rückströmungsverhin derungselement ein Rückschlagventil ist, das in der Unterlage schicht angeordnet ist.

12. Sprudler nach Anspruch 11, bei dem der Diffusor eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie zur Flüssigkeit hat.

13. Sprudler zur Abgabe von Gas in eine Flüssigkeit, enthal tend:

a) ein Unterlageelement, das eine Gaseinströmung auf einen Spalt zwischen dem Unterlageelement und einer flachen Unterseite eines darüber angeordneten Diffusors beschränkt;
b) das Unterlageelement und der Diffusor sind um einen Rand des Sprudlers, der eine Spaltfläche umgibt, und periodisch an einer Vielzahl Verbindungsbereichen, die innerhalb der Spaltfläche verteilt sind, miteinander verbunden, und
c) die Spaltverbindungsbereiche sind so gestaltet und beabstandet, daß einströmendes Gas sich um die Spaltverbindungsbereiche und über die gesamte Spaltfläche, die nicht von den Verbindungsbereichen besetzt ist, ausbreiten kann.

14. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem die Höhe des Diffusors oberhalb einer Linie zwischen Verbindungsbereichen nicht den größeren Wert von 6 mm oder etwa 30% des Abstandes zwischen benachbarten Verbindungsbereichen überschreitet.

15. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem das Unterlageelement und der Diffusor flexibel sind.

16. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem ein Gewicht kombiniert mit dem Unterlageelement den Sprudler am Schwimmen in der Flüs sigkeit hindert.

17. Sprudler nach Anspruch 13, enthaltend Abstandshalter, die die Breite des Spaltes bestimmen.

18. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem kein Sprudlerelement sich oberhalb einer Oberseite des Diffusors innerhalb des Spaltbereichs erstreckt.

19. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem der Diffusor aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie gebildet ist, ,die mit einer Schicht geringer Oberflächenenergie verbunden ist.

20. Sprudler nach Anspruch 19, bei dem die Verbindung der Dif fusorschichten an einer Vielzahl kleiner Bereiche eingerichtet ist.

21. Sprudler nach Anspruch 20, bei dem die Verbindung der Dif fusorschichten Gasquerströmungen zwischen den Diffusorschichten im wesentlichen unterbindet.

22. Sprudler nach Anspruch 13, bei dem der Sprudler eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie mit der Flüssigkeit und eine Grenzfläche geringer Oberflächenenergie mit dem Gas hat.

23. Sprudler nach Anspruch 13, enthaltend ein Element, das einer Rückströmung von in den Spalt eingeführten Gases wider steht.

24. Sprudler nach Anspruch 23, bei dem das Rückströmverhinde rungselement ein Rückschalventil ist, das in der Unterlage schicht angeordnet ist.

25. Sprudler nach Anspruch 24, bei dem der Diffusor eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie mit der Flüssigkeit hat.

26. Sprudler zur Abgabe von Gas in einer Flüssigkeit, enthal tend:

a) einen dünnen Diffusor und ein dünnes Element, das unter dem Diffusor liegt und mit diesem verbunden ist, um einen schmalen Spalt zwischen dem Diffusor und dem darunterliegenden Element zu belassen;
b) die Verbindung des Diffusors und des darunterliegenden Elementes ist um den Umfang des Sprudlers zusammenhängend und über eine Spaltfläche innerhalb des Umfangs in einer Konfiguration intermittierend, die es einströmendem Gas ermöglicht, sich über die unverbundene Spaltfläche inner halb des Umfangs auszubreiten; und
c) die Verbindungsbereiche sind derart angeordnet, daß der Diffusor eng genug am darunterliegenden Element im Betrieb des Sprudlers gehalten wird, um die Einwirkung von Abschälkraft unter einem Winkel von mehr als etwa 30° zu einer Linie, die sich zwischen benachbarten Verbindungs bereichen erstreckt, zu vermeiden.

27. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem kein Sprudlerelement sich über eine Oberfläche des Diffusors hinaus erstreckt, die innerhalb des Spaltflächenbereiches liegt.

28. Sprudler nach Anspruch nach 26, bei dem ein Gewicht kombi niert mit dem Unterlageelement den Sprudler am Aufschwimmen hindert.

29. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem der Diffusor und das Unterlageelement flexibel sind.

30. Sprudler nach Anspruch 26, enthaltend Abstandshalter, die die Spaltbreite bestimmen.

31. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem der Diffusor aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie gebildet ist, die mit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie verbunden ist.

32. Sprudler nach Anspruch 31, bei dem die Diffusorschichten in einer Vielzahl kleiner Bereiche miteinander verbunden sind.

33. Sprudler nach Anspruch 32, bei dem die Verbindung der Dif fusorschichten eine Gasströmung quer zwischen den Diffusor schichten im wesentlichen unterdrückt.

34. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem der Diffusor eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie zur Flüssigkeit und eine Grenz fläche niedriger Oberflächenenergie zum Gas hat.

35. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem das einströmende Gas am Rückströmen gehindert ist.

36. Sprudler nach Anspruch 35, enthaltend ein Rückschlagventil in Kombination mit dem Unterlageelement zur Verhinderung einer Gasrückströmung.

37. Sprudler nach Anspruch 36, bei dem der Diffusor eine Grenz fläche hoher Oberflächenenergie zur Flüssigkeit hat.

38. Sprudler nach Anspruch 26, bei dem die Breite des Spaltes, die sich über die Linie erhebt, die sich zwischen Verbindungs bereichen erstreckt, als Folge des Drucks des einströmenden Gases nicht größer ist als der größere Wert von etwa 6 mm oder etwa 30° der Distanz zwischen benachbarten Verbindungsberei chen.

39. Sprudler zur Abgabe von Gas in Flüssigkeit, enthaltend:

a) einen Diffusor aus einer dünnen Oberschicht aus einem gasdurchlässigen Material hoher Oberflächenenergie und einer dünnen unteren Schicht aus einem gaspermeablen Material niedriger Oberflächenenergie, die an mehreren kleinen Bereichen miteinander verbunden sind;
b) die Verbindung der Diffusorschichten hindert insgesamt im wesentlichen eine Gasströmung quer zwischen den Schichten, während eine Gasdurchströmung direkt durch beide Schichten in mehr als der Hälfte der Gesamtdiffusorfläche ermöglicht ist;
c) der Diffusor ist an einem Unterlageelement befestigt, das das einströmende Gas auf die Unterseite des Diffusors beschränkt, und
d) die Verbindung des Unterlageelements und des Diffusors ist derart, daß das Unterlageelement und der Diffusor an gegenüberliegenden Seiten eines schmalen Spaltes im wesentlichen zusammengehalten werden, der so gestaltet ist, daß das einströmende Gas sich über den gesamten Spalt ausbreiten kann.

40. Sprudler nach Anspruch 39, bei dem die Spaltbreite zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht kleiner als etwa 6 mm ist.

41. Sprudler nach Anspruch 39, bei dem die Verbindungsbereiche zwischen dem Diffusor und dem Unterlageelement in Abhängigkeit von der Festigkeit und der Dicke des Diffusors einen solchen Abstand haben, daß ein Zuwachs der Spaltbreite unter dem Druck des einströmenden Gases nicht den größeren Wert von etwa 6 mm oder etwa 30% des Abstandes zwischen benachbarten Verbindungs bereichen überschreitet.

42. Sprudler nach Anspruch 39, bei dem ein Gewicht in Kombina tion mit dem Unterlageelement den Sprudler am Aufschwimmen hin dert.

43. Sprudler nach Anspruch 39, bei dem der Diffusor und das Unterlageelement flexibel sind.

44. Sprudler nach Anspruch 39, bei dem kein Sprudlerelement sich über eine Oberfläche des Diffusors innerhalb des Spaltbe reiches hinaus erstreckt.

45. Sprudler mit einem zweilagigen Diffusor, mit einer Schicht hoher Oberflächenenergie an einer Grenzfläche mit einer Flüs sigkeit, in die ein Gas fein verteilt einzublasen ist, und einer Schicht geringer Oberflächenenergie an einer Grenzfläche mit dem Gas, das in die Flüssigkeit eingeblasen wird, enthal tend:

a) die Schicht hoher Oberflächenenergie und die Schicht niedriger Oberflächenenergie sind an einer Vielzahl kleiner Bereiche miteinander verbunden, die so gestaltet und beabstandet sind, daß das Gas in einer Hauptfläche beider Schichten eindringt und dabei zwischen den Schichten nicht quer strömt;
b) der Diffusor ist an einer Unterlageschicht befestigt, die das einströmende Gas innerhalb eines engen Spaltes einschließt, der durch die Unterlageschicht und die Schicht geringer Oberflächenspannung begrenzt ist, und
c) die Verbindungsbereiche zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht haben ausreichend enge Abstände, um den Diffusor im Betrieb ausreichend flach zu halten, daß ein Breitenzuwachs des Spaltes unter dem Druck des einströmen den Gases den größeren Wert von etwa 6 mm oder etwa 30% des Abstandes zwischen benachbarten Verbindungsbereichen nicht überschreite.

46. Sprudler nach Anspruch 45, bei dem die Spaltbreite nicht größer als etwa 6 mm ist.

47. Sprudler nach Anspruch 45, bei dem kein Sprudlerelement sich über eine Oberfläche des Diffusors innerhalb des Spaltbe reiches hinaus erstreckt.

48. Sprudler nach Anspruch 45, bei dem ein Gewicht in Kombina tion mit dem Unterlageelement den Sprudler am Aufschwimmen hindert.

49. Sprudler nach Anspruch 45, bei dem der Diffusor und das Unterlageelement flexibel sind.