DE19750939B4

DE19750939B4 - Diffusoranordnung

Info

Publication number: DE19750939B4
Application number: DE19750939.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: BURRIS, WILLIAM ALAN, RUSH, N.Y., US
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: FR2755877B1; GB2319189A; GB9723724D0; US5858283A; GB2319189B; DE19750939A1; FR2755877A1

Abstract

Diffusoranordnung zum Einblasen eines in einer Flüssigkeit zu lösenden Gases in die Flüssigkeit, umfassend eine flache Diffusorwand (11) aus einem porösen Material, über die zuströmendes Gas in die Flüssigkeit gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Diffusorwand (11) beabstandete Unterlageschicht (12) aus einem gasundurchlässigen Material mit dieser einen Spaltraum (17) ausbildet, dass die Diffusorwand (11) und die Unterlageschicht (12) durch Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) miteinander verbunden sind; dass die Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) so gestaltet sind, dass sie eine freie Ausbreitung des Gases in dem gesamten Spaltraum (17) nicht behindern, und dass der Abstand zwischen den Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) unter Berücksichtigung der Festigkeit und Dehnfähigkeit der Diffusorwand (11) derart gewählt ist, dass eine Vergrößerung der Spalthöhe (b) unter dem Druck des einströmenden Gases nicht den größeren Wert von 6 mm oder 30% des Abstandes zwischen benachbarten Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) übersteigt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Diffusoranordnung zum verteilten Abgeben kleiner Gasbläschen in eine Flüssigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Mein Patent US 5 422 043 A 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 Grenzflache hoher Oberflächenenergie zu der Flüssigkeit hat, die es erlaubt, dass sich feine Bläschen von der Grenzflache lösen und in die Flüssigkeit eintreten. Die Grenzflache hoher Oberflächenenergie ist vorzugsweise mit einem Material niedriger Oberflächenenergie hinterlegt, das eine Flüssigkeitsrückströmung verhindert und dem durchströmenden Gas einen niedrigen Widerstand entgegensetzt. Bezüglich der Details, mit denen diese Wirkungen bei einem dünnen und preiswerten Diffusor erreicht werden, wird auf die vorgenannte Patentschrift US 5 422 043 A verwiesen. 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 beispielsweise 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 ansonsten dazu führen wurde, dass kleine Bläschen sich aneinanderhängen 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 wirksamen und preiswerten Sprudler gelöst werden sollen, der eine große Diffusoroberfläche aufweist. Die Patentschrift US 3 299 885 A offenbart einen Apparat zur Hydrotherapie, mittels welchem ein Gas in eine Flüssigkeit abgegeben werden kann. Durch ein Unterlageelement wird dabei die Gaseinströmung auf einen Spalt zwischen dem Unterlageelement und einer Unterseite eines Diffusors beschränkt. Der Diffusor und das Unterlageelement sind an mehreren Verbindungsbereichen miteinander verbunden. Die Patentschrift US 3 086 517 A , sowie die japanischen Patentschriften JP H06-142907 A und JP H08-117645 A offenbaren ebenfalls jeweils Sprudler zur Abgabe von Gasbläschen in eine Flüssigkeit. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diffusoranordnung zum Abgeben von Gasflächen in eine Flüssigkeit bereitzustellen, bei welcher eine Kissenbildung des Diffusors im Betrieb möglichst vermieden wird.
Übersicht über die Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Diffusoranordnung gemäß der Patentansprüche 1, 13 und 26 gelöst. 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 versorgt 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 Diffusor 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 Diffusorbetrieb, wie unten erläutert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Teildarstellung, teilweise weggeschnitten, einer bevorzugten Ausführungsform eines Sprudlers gemäß der vorliegenden Erfindung von der Seite;
2–4 sind schematische Teildarstellungen alternativer Muster von Punkten und Linien, an denen ein Diffusor mit einer Unterlageschicht verklebt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 und 6 sind schematische Seitenansichten alternativer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Diffusors.
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.
8 ist eine schematische Darstellung eines Punktmusters kleiner Verbindungspunkte, die zwischen den Diffusorschichten von 7 ausgebildet sind.
9 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusors, und
10 ist eine schematische Darstellung der maximalen Wölbung eines Diffusors, das durch die Erfindung erlaubt ist.
Detaillierte Beschreibung
Der Sprudler 10 von 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 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 Unterlageschicht 12 ermöglicht es, daß Gas, das durch den Einlaß 15 zuströmt, um die Verbindungsbereiche und über einen Zwischenlagespalt der einen Spaltraum 17 bildet, wo das Gas mit der Unterseite des Diffusors 11 in Berührung ist, breit verteilt wird. Das Gas, für das kein anderer Auslaß vorhanden ist, strömt dann durch den Diffusor 11 als Bläschen in eine Flüssigkeit aus, in die der Sprudler 10 eingetaucht ist. Die bevorzugten Details und einige der Alternativen einer solchen Anordnung werden unten erläutert.
Diffusor
Für einen großflächigen Sprudler ist der Diffusor 11 vorzugsweise dünn und flach, wie in 1 dargestellt. Die Oberseite des Diffusors 11 bildet eine Grenzfläche innerhalb der Flüssigkeit, 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 Flüssigkeit austreten, so klein wie möglich sind. In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird die Oberfläche hoher Energie der Grenzfläche oder Schnittstelle von einer Schicht 13 gebildet, die von einer darunterliegenden Schicht 14 getrennt ist. Die Grenzflächenschicht 13 ist vorzugsweise gleichförmig porös mit einer Vielzahl feiner Poren, die die Gasströmung gleichmäßig verteilen und eine übermäßige Gasströmung aus größeren Öffnungen vermeiden.
Die stromaufwärtige Schicht 14 hat eine niedrige Oberflächenspannung oder -energie von vorzugsweise weniger als 46 Dynes/cm und sehr kleine und vorzugsweise gleichmäßige Poren, sodaß sie einer Flüssigkeitsrückströmung widersteht und einen mäßig bremsenden 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 Flüssigkeit durch die Schicht 13 verhindert, wenn die Gasströmung unterbrochen ist. Die Schicht 14 bietet zusätzlich Festigkeit und konstruktive Stütze, sodaß die kombinierten und zusammenwirkenden 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 5 422 043 A 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 Gasbläschen, 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 entsteht, 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 integralen Schicht aus einem Material auszubilden, das im allgemeinen eine niedrige Oberflächenenergie aufweist, jedoch an der Grenzfläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung ist, eine hohe Oberflächenenegie hat. Oberflächenbeschichtungen aus verschiedenen Materialien können dieses sicherstellen, wie auch Behandlungen beispielsweise durch Oxidation oder Aussetzen einem Plasma. Die Grenzflächenoberfläche von porösen Materialien gewisser kleiner Oberflächenenergie, wie beispielsweise spunbonded 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 vorzugsweise 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, Materialwiderstand 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 Eindringen 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, einschließlich Pilz- oder Schirmventile, Klappenventile, elastomere Schlitzventile und viele andere. Ein geeignetes Rückschlagventil 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 Diffusorporen sein. Ein Diffusor ohne eine Schicht geringer Oberflächenenergie ist vorzugsweise geeignet widerstandsfest gegen den Gasdruck und ist gleichförmig feinporös.
Die Ausführungsform des Sprudlers 50 in 9 zeigt schematisch die Möglichkeit der Anordnung eines Rückschlagventils 55 in einer Unterlageschicht 52, an der ein darüberliegender Diffusor 51 befestigt ist. Das Rückschlagventil 55 ist vorzugsweise mit einem Gasströmungseinlaß 15 kombiniert, und die Verbindung 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 Wasserdruck die Widerstandsfestigkeit der Schicht hoher Oberflächenspannung 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 7 und 8 gezeigt, miteinander verbunden. Für Sprudlerzwecke wirken die mehreren Schichten des Diffusors 11 vorzugsweise wie eine einzige integrale Schicht, sodaß das Verbinden der Schichten 13 und 14 miteinander sie vorzugsweise innig miteinander vereinigt. Die Gasströmung durch die Schichten 13 und 14 erfolgt vorzugsweise geradlinig 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 Querrichtung 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 Anordnung verteilt sind, wie in den 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 geschlossene Figuren enthalten, wie beispielsweise Kreise oder Quadrate. 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 Erzielen 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 resultierende Laminat 11 hat Schichten, die im wesentlichen miteinander 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 Spaltbereich unter dem Diffusor zu beschränken, sodaß das Gas nicht durch irgendeinen anderen Weg als durch den Diffusor und in die Flüssigkeit als feine Bläschen entweichen kann. Die Unterlageschicht kann Gewicht hinzufügen, um den Diffusor in der Flüssigkeit 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 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 angeklebt 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 Rückschlagventils im Gaseinlaß 15.
Flexibilität und leichtes Gewicht sind bei einem Sprudler ebenfalls erwünscht, insbesondere weil diese Eigenschaften zu niedrigen Kosten beitragen. Ein Beispiel eines flexiblen und leichten Sprudlers 20, der eine Schicht 22 verwendet, die unter einem Diffusor 21 liegt, ist in 5 gezeigt. Die Unterlageschicht 22 besteht vorzugsweise aus einem dünnen Kunstharzmaterial, und bei der in 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 6 zeigt die Möglichkeit, die Unterlageschicht aus mehreren Schichten und Materialien herzustellen. Die Schicht 32, die unter dem Diffusor 31 liegt, hat eine untere Lage 33, die mit der Schicht 32 längs im Abstand zueinander 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 miteinander verklebt, sodaß die gasundurchlässige Schicht das einströmende 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 Unterlageschicht strömt. Das Klebemuster hält den Diffusor und die Unterlageschicht auch im wesentlichen parallel zueinander über den gesamten Spalt, sodaß der Diffusor nicht wesentlich ausbaucht und die Spaltbreite nahe einem Minimum gehalten wird.
Viele Klebeanordnungen und Muster können zur Erreichung dieses Zieles gewählt werden. Ein Klebemuster aus kurzen Klebstofflinien 41 beispielsweise, klebt den Diffusor 11 an das steife Element 12 beim Sprudler 10 der 1 und 2. Kurze Klebelinien 41 sind innerhalb einer Randverklebung 40 angeordnet, sodaß das einströmende Gas umd die und zwischen die Klebelinien 41 strömen und sich über die unverklebte Fläche innerhalb der Randverklebung 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 Klebelinien 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 Klebebereichen überspannen kann, während ein schwächerer oder mehr dehnfähiger Diffusor nur kürzere Distanzen zwischen Klebebereichen überspannen kann.
Eine gewisse vernachlässigbare Kissenbildung des Diffusors zwischen Klebebereichen ist unvermeidbar, jedoch wird diese vorzugsweise dadurch minimiert, daß die Klebebereiche nahe genug beieinander angeordnet werden. Die bevorzugte, maximil zulässige Kissenbildung des Diffusors 11 zwischen Klebelinien 41 ist schematisch in 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 Klebebereichen. Die Höhe b kann auch als als die Spalthöhe zwischen einem Diffusor und einer Unterlageschicht (in 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 Dehnfähigkeit eines Diffusors ist, der eine Distanz zwischen Klebelinien 41 überspannt, hängt die Höhe b auch von der Länge der Strecke a ab. Der bevorzugte Zusammenhang zwischen diesen Termen besteht darin, daß die vom Gasdruck abhängige Zunahme der Diffusorhöhe b über der Linie a, die sich zwischen den Klebebereichen 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 Klebebereiche gegenüber Abschälkräften weniger Widerstand aufweisen, als gegenüber Zugkräften. Aus diesem Grunde bevorzuge ich, daß ein Winkel alpha des Diffusors 11 oberhalb der Linie a zwischen Klebebereichen einen Winkel von etwa 30° nicht überschreitet. Dies gilt insbesondere für größere Diffusorspannweiten 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, sodaß das Flachhalten des Diffusors vermeidet, daß die Verklebungen der Abschälkraft ausgesetzt werden. Indem der Diffusor nahezu flachgehalten wird und ihm nicht ermöglicht wird, Kissen größerer Höhe zwischen weiter beabstandeten Klebereichen zu bilden, treten die Bläschen 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 Diffusors zu konzentrieren, wo der hydraulische Druck am niedrigsten 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 geringer 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 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 Klebelinien, 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 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 Quadraten, 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 stömen können muß, die unter einem Diffusor liegt, sollte ein Klebemuster auch nur eine minimale Fläche des Diffusors besetzen, sodaß eine Maximalfläche für die Durchströmung des Gases und die Bildung kleiner Bläschen verfügbar bleibt.
Klebstoffe, die für die Klebelinien oder -punkte verwendet werden, 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 Flüssigkeitsgrenzfläche 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 erstrecken. 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 Umfangsverbindung 40 zwischen dem Diffusor und dem darunterliegenden Element verwendet wird, sodaß eine Umfangsklammer sich nicht in die blasenerzeugende Fläche des Diffusors innerhalb der Randverbindung erstreckt.
Zwischen dem Diffusor und einer Unterlageschicht kann eine gewisse Art Abstandshalter angeordnet werden, um eine gewünschte Minimalbreite des Spaltes zwischen den zwei Elementen einzurichten. Ich bevorzuge, daß die Spaltbreite nicht größer als etwa 6 mm ist. Sehr viel kleinere Spaltbreiten werden bevorzugt, solange der Spalt selbst der Gasströmung durch den Spalt keinen übermäßigen Widerstande entgegensetzt. Ein Verbindungsbereichsmuster, das von einem Klebstoff und insbesondere einem hochviskosen Klebstoff gebildet ist, kann als dünner Abstandshalter dienen, der den Diffusor und eine Unterlageschicht ausreichend weit voneinander trennt, um es zuströmendem Gas zu ermöglichen, sich über den gesamten unverklebten Diffusorbereich breit auszudehnen.
Ein weiterer Weg, eine minimale Spaltbreite sicherzustellen, ist in 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, sodaß das Gas zwischen den und um die Vorsprünge 26 strömen kann. Der Diffusor 21 wird dann mittels eines Klebstoffs, eines Lösungsmittels 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 6 dargestellt. Hier sind Abstandshalter 39 zwischen dem Diffusor 31 und der Unterlageschicht 32 angeordnet, wo sie mit beiden Schichten verbunden sind, um feste Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen. Die Abstandshalter 39 können aus einer Vielzahl Materialien hergestellt sein und können in vielen Konfigurationen angeordnet sein, die es erlauben, daß das Gas um die Abstandshalter 39 strömt, und die sichere Verbindungen zwischen dem Diffusor und der Unterlageschicht mittels der Abstandshalter herstellen. Eine Gruppe aus Abstandshaltern 39 kann beispielsweise durch Elemente miteinander verbunden sein, die dünner sind, als die Spaltbreite, sodaß die Abstandshalterverbindungselemente 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 Sprudlermaterialien zur Befriedigung der oben erwähnten Forderungen kann großflächige 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 erforderlichen Gasmenge, Maximierung der Wirkung des verwendeten Gases und durch breite Verteilung dieser Wirkung innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens hoch wirtschaftlich sein.

Claims

Diffusoranordnung zum Einblasen eines in einer Flüssigkeit zu lösenden Gases in die Flüssigkeit, umfassend eine flache Diffusorwand (11) aus einem porösen Material, über die zuströmendes Gas in die Flüssigkeit gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Diffusorwand (11) beabstandete Unterlageschicht (12) aus einem gasundurchlässigen Material mit dieser einen Spaltraum (17) ausbildet, dass die Diffusorwand (11) und die Unterlageschicht (12) durch Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) miteinander verbunden sind; dass die Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) so gestaltet sind, dass sie eine freie Ausbreitung des Gases in dem gesamten Spaltraum (17) nicht behindern, und dass der Abstand zwischen den Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) unter Berücksichtigung der Festigkeit und Dehnfähigkeit der Diffusorwand (11) derart gewählt ist, dass eine Vergrößerung der Spalthöhe (b) unter dem Druck des einströmenden Gases nicht den größeren Wert von 6 mm oder 30% des Abstandes zwischen benachbarten Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) übersteigt.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Spalthöhenzunahme kleiner als 6 mm ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Diffusorwand (11) und die Unterlageschicht (12) flexibel sind.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, enthaltend Abstandshalter zur Einrichtung der Spalthöhe zwischen der Diffusorwand (11) und der Unterlageschicht (12).
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, bei dem keine Schraubenköpfe, Klammern oder Klemmstäbe sich oberhalb einer Flüssigkeitsgrenzfläche der Diffusorwand (11) innerhalb einer Randverbindung (40, 42) von Diffusorwand (11) und Unterlageschicht (12) erstrecken.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Diffusorwand (11) aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie (13) besteht, die mit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie (14) verbunden ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 6, bei dem die Verbindung der Diffusorschichten (13, 14) an einer Vielzahl kleiner Bereiche (16) hergestellt ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 7, bei dem die Verbindung der Diffusorschichten (13, 14) eine Gasquerströmung zwischen den Diffusorschichten im Wesentlichen unterdrückt.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Diffusorwand (11) eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) zur Flüssigkeit und eine Grenzfläche niedriger Oberflächenenergie (14) zum Gas hat.
Diffusoranordnung nach Anspruch 1, enthaltend ein Element (14, 55), das einer Flüssigkeitsrückströmung durch die Diffusorwand (11) bei Unterbrechung der Gaszuströmung widersteht.
Diffusoranordnung nach Anspruch 10, bei dem das Rückströmungsverhinderungselement ein Rückschlagventil (55) ist, das in der Unterlageschicht (52) angeordnet ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 11, bei dem die Diffusorwand (11) eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) zur Flüssigkeit hat.
Diffusoranordnung zum Einblasen eines in einer Flüssigkeit zu lösenden Gases in die Flüssigkeit, umfassend eine flache Diffusorwand (11) aus einem porösen Material, über die zuströmendes Gas in die Flüssigkeit gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des in die Flüssigkeit gedrückten Gases durch eine flache Unterseite der Diffusorwand (11) und eine dazu beabstandete, mit dieser einen Spaltraum (17) bildende Unterlageschicht (12) begrenzt wird, wobei die Diffusorwand (11) gasdurchlässig aber flüssigkeitsrückflusswidersetzend ausgebildet ist, dass die Diffusorwand (11) und die Unterlageschicht (12) über einen gemeinsamen, den Spaltraum (17) umgebenden Randbereich und über eine Vielzahl von regelmäßig über den Spaltraum (17) verteilter Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) miteinander verklebt sind; und dass die Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) so gestaltet sind, dass das einströmende Gas um die Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) herumströmen und sich über den gesamten Spaltraum (17), soweit er nicht von den Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) eingenommen ist, ausbreiten kann.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, bei dem die Höhe der Diffusorwand (11) oberhalb einer Linie zwischen Verbindungsbereichen (41) nicht den größeren Wert von 6 mm oder 30% des Abstandes zwischen benachbarten Verbindungsbereichen (41) überschreitet.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, bei dem die Unterlageschicht (12) und die Diffusorwand (11) flexibel sind.
Diffusoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Gewicht (25, 36) kombiniert mit der Unterlageschicht (12) den Sprudler am Schwimmen in der Flüssigkeit hindert.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, enthaltend Abstandshalter (39), die die Höhe (6) des Spaltraumes (17) bestimmen.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, bei dem keine Schraubenköpfe, Klammern oder Klemmstäbe sich oberhalb einer Oberseite der Diffusorwand (11) einer Randverbindung (40, 42) von Diffusorwand (11) und Unterlageschicht (12) erstrecken.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, bei dem die Diffusorwand (11) aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie (13) gebildet ist, die mit einer Schicht geringer Oberflächenenergie (14) verbunden ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 19, bei dem die Verbindung der Diffusorschichten (13, 14) an einer Vielzahl kleiner Bereiche (16) eingerichtet ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 20, bei dem die Verbindung der Diffusorschichten (13, 14) Gasquerströmungen zwischen den Diffusorschichten im Wesentlichen unterbindet.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, bei dem der Sprudler eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) mit der Flüssigkeit und eine Grenzfläche geringer Oberflächenenergie (14) mit dem Gas hat.
Diffusoranordnung nach Anspruch 13, enthaltend ein Element, das einer Rückströmung von in den Spalt eingeführten Gases widersteht.
Diffusoranordnung nach Anspruch 23, bei dem das Rückströmverhinderungselement ein Rückschlagventil (55) ist, das in der Bodenwand (52) angeordnet ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 24, bei dem die Diffusorwand (11) eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) mit der Flüssigkeit hat.
Diffusoranordnung zum Einblasen eines in einer Flüssigkeit zu lösenden Gases in die Flüssigkeit, umfassend eine flache Diffusorwand (11) aus einem porösen Material, über zuströmendes Gas in die Flüssigkeit gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Diffusorwand (11) beabstandete, mit dieser einen Spaltraum (17) bildende Unterlageschicht (12) aus einem gasundurchlässigen Material mit der Diffusorwand (11) über einen gemeinsamen, den Spaltraum (17) umgebenden Randbereich und über den Spaltraum verteilte vom Gas umströmbare Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39), die ein Ausbreiten des Gases über einen Spaltraum (16) nicht behindern, verbunden ist; und dass die Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) so angeordnet sind, dass eine Auswölbung der Diffusorwand (11) zwischen den Verbindungselementen derart, dass ein Winkel α > 30° zwischen der Diffusorwand und einem zwischen benachbarten Klebelinien (41), Klebepunkten (43) oder Abstandhaltern (39) sich erstreckenden Unterlageschichtbereich nicht erreicht wird, um ein Abschälen der Klebelinien (41), Klebepunkte (43) oder Abstandhalter (39) von der Unterlageschicht (12) zu verhindern.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem keine Schraubenköpfe, Klammern oder Klemmstäbe sich über eine Oberfläche der Diffusorwand (11) hinaus erstrecken, die innerhalb einer Randverbindung (40, 42) von Diffusorwand (11) und Unterlageschicht (12) liegt.
Diffusoranordnung nach Anspruch nach 26, bei dem ein Gewicht (25, 26) kombiniert mit der Unterlageschicht (12) den Sprudler am Aufschwimmen hindert.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem die Diffusorwand (11) und die Unterlageschicht (12) flexibel sind.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, enthaltend Abstandshalter, die eine Spalthöhe (b) des Spaltraums (17) bestimmen.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem die Diffusorwand (11) aus einer Schicht hoher Oberflächenenergie (13) gebildet ist, die mit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie (14) verbunden ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 31, bei dem die Diffusorschichten (13, 14) in einer Vielzahl kleiner Bereiche (16) miteinander verbunden sind.
Diffusoranordnung nach Anspruch 32, bei dem die Verbindung der Diffusorschichten (13, 14) eine Gasströmung quer zwischen den Diffusorschichten im Wesentlichen unterdrückt.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem die Diffusorwand eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) zur Flüssigkeit und eine Grenzfläche niedriger Oberflächenenergie (14) zum Gas hat.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem das einströmende Gas am Rückströmen gehindert ist.
Diffusoranordnung nach Anspruch 35, enthaltend ein Rückschlagventil (55) in Kombination mit der Bodenwand (52) zur Verhinderung einer Gasrückströmung.
Diffusoranordnung nach Anspruch 36, bei dem die Diffusorwand (11) eine Grenzfläche hoher Oberflächenenergie (13) zur Flüssigkeit hat.
Diffusoranordnung nach Anspruch 26, bei dem die Höhe des Spaltraums (17), die sich als Folge des Drucks des einströmenden Gases über der Linie erhebt, die sich zwischen Verbindungselementen (41) erstreckt, nicht größer ist als der größere Wert von 6 mm oder 30° des Abstands zwischen benachbarten Verbindungselementen.
Diffusoranordnung nach Ansprüchen 6 bis 9 oder 19 bis 22 oder 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorschichten (13, 14) in mehreren Verbindungsbereichen (16) miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsbereiche (16) eine Durchströmfläche der Diffusorwand (11) freilassen, die mehr als die Hälfte der gesamten Diffusorwandfläche beträgt.