JP2006510488A

JP2006510488A - 核生成と組み合わせた水性の泡を用いた空気流の濾過方法および装置

Info

Publication number: JP2006510488A
Application number: JP2005507616A
Authority: JP
Inventors: ジェイペレグリンロイ
Original assignee: ペレテックスインコーポレイテッド
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2006-03-30
Also published as: EP1545745A4; EP1545745A1; ATE488292T1; ES2354356T3; EP1545745B1; WO2005014144A1; DE60335012D1

Abstract

空気流中の汚染物と水性の泡の濡れた表面との間での強制的な接触を行わせる方法および、泡を所定の体積に制限する付加的な手段を提供する。広いスペクトルの寸法（0.001から1000ミクロン）を有する溶液の極小の液滴を汚染された空気流内に導入する。空気流中を浮遊する極小の液滴は、汚染物を空気流中での運動による接触、衝突および合体によって除去し、汚染物は慣性によって除去される。より小さな極小の液滴は空気流中を浮遊し続ける。最も小さい極小の液滴は蒸発して空気流中で溶液の蒸気圧を増加させる。湿った、あるいは飽和した汚染された空気流は溶液リザーバ表面領域で、指数関数的に細かい気泡からなる水性の泡へと連続的に膨張する。空気流の速度は泡の気泡それぞれの内部の極小の大気中で急激に低下する。汚染物および溶液の極小の液滴は気泡内部の空気中を浮遊し、各気泡内部の濡れた表面へと重力加速度によって沈降する。泡は気泡の壁、溶液の蒸気および極小の液滴が捕捉した汚染物と共に冷えた表面および冷えた冷却コイルに隣接する冷えた空気上で凝縮することにより脱水される。液状の溶液および汚染物は冷却コイルから溶液リザーバへと排出される。空気中に残留する溶液の極小な液滴は遠心ブロワ／液滴分離器を通して引き込まれ、溶液リザーバ内へ戻るように排出するためにブロワのハウジングへと投入される。空気流は、その再加熱と相対湿度の減少のために凝縮用の冷却コイルを通過する。拡大縮小を含む変形、霧化のための他の方法および追加の適用分野についても述べる。

Description

関連する出願の相互参照
本願は、2001年7月10日付出願の米国特許出願第09/889,235号「空気流を水性の泡と共に濾過する方法および手段」の一部継続出願である。本願はまた、先の出願である2002年5月30日付出願の米国特許出願第60/384,562号からの優先権およびその利益を主張するものである。

背景および本発明の簡単な概要
概ね本願に係る発明は空気流の濾過に関するものである。特に本発明は、ここで引用文献として組み入れる米国特許出願第09/889,225に記載されているような、空気流中の気体状、液体状および固体状の汚染物を水性の泡と共に除去する技術の改良に関するものである。

本発明の鍵となる特徴は、水性の泡と協同した「核生成」を用いた新規な組み合わせである（図3A-3Gに最も良く示す）。「核生成」技術において、流入する汚染された空気流は噴霧ノズルで生成した微細な霧で飽和され、この霧は空気流の過飽和を生じさせる。サブミクロンの寸法の汚染物は、雨滴が形成される場合と同様の方法で過飽和の空気流中で凝縮した核としての挙動を示す。汚染物は空気によって輸送される流体のエアロゾル内に閉じこめられることとなる。閉じこめられた汚染物は水性の泡内で連続的に形成される気泡内部に「捕捉される」こととなる。最後に、汚染物を閉じこめて捕捉した気泡は制御された方法で衝突する、あるいは合体する。大きな凝縮物の形を取る汚染物は、液体浄化リザーバ内へと容易に沈殿することとなる。

本発明のフィルタは、直径が0.005ミクロン程度の小さな粒子を効果的に除去するものであり、このような物質には、産業上の硫酸エアロゾル、平均径が0.07ミクロンのコロナウィルスや平均径が0.2-0.3ミクロンの大痘瘡（天然痘ウィルス）などの生物剤、VX、HD、サリン、マスタードなどの化学兵器剤、放射性物質のエアロゾルならびに、炭疽菌胞子などの、より大きなものが含まれる。

低い維持コストや低いエネルギー消費量などの他の利点は別として、本発明による核生成と水性の泡のフィルタとの組み合わせは、従来の空気フィルタに見られる、最小の孔の寸法が存在しない。本発明は本質的に大気中での水循環を模倣したものである。

本発明によれば、汚染された空気は特別に設計した噴霧ノズルで発生した微細な霧によって飽和する。これは、霧を導入する空気流を急速に過飽和させる非常に小さい液滴寸法の範囲を生じさせる。Kelvinの曲率効果が大気中での雲状の液滴の寸法を制限するといえども、水性の泡のフィルタ内部での制御された条件が、自然界で見られる蒸発の制限／妨害の効果無しに、より小さな液滴および蒸気の形成を可能とする。

ここで鍵となる動作上のポイントは、空気中のサブミクロンの寸法の汚染物が凝縮核として働き、不均質な各形成を生じさせ、空気中を運ばれる流体のエアロゾル中で汚染物の効果的な閉じ込めを行うことである。その後気泡は流入する汚染された過飽和空気流を用いることで生成し、制御された、過飽和の閉じ込められた極小の大気を生成する。

フィルタは、湿った、あるいは乾燥したスーパーミクロンおよびサブミクロンの寸法のエアロゾルの除去に非常に高い効率を有することができ、理想的には0.1ミクロンの範囲の粒子を濾過するのに適している。そのため、所定の有害なエアロゾルを除去するための優れた高い効率を有するものとなる。

本発明は、有害な放射性物質のエアロゾルの除去ならびに、化学的および生物学的なエアロゾルの除去および中和を行うことを可能とする。本発明によるユニットはHEPAシステムよりも遙かに低い運用コストと、より高い効率を有するものである。大量生産する場合の本ユニットのコストの見積額は1000ドル以下である。この、本発明のコスト効果の実現は、大型のシステムへの拡大が容易となるはずである。

既存の空気フィルタは現状ならびに新たな脅威に対しては不十分である。エアロゾル化した化学および生物兵器(CBW)物質ならびに放射性物質を汚染された空気から高い効率で除去できる、効果的な低コストの濾過方法の開発が緊急に必要である。このことは、これらの物質はエアロゾル、蒸気または粒子状の幅広い範囲の寸法で存在するために難問である。

現行の空気濾過技術は、60年前の古い技術に基づいている。HEPA/ULPAフィルタは、空気流中の粒子を捕捉するために透過性の基材を用いている。この技術の問題点は、高いエネルギーおよび維持コスト、高速の空気流から濾過できる有効な粒子の寸法の制約および、運用コストの増加、さらには経時的な性能の劣化を含む。HEPAフィルタはCW（化学兵器）物質に対しては有効ではなく、BW（生物兵器）汚染物は捕捉しても活性を有する。それゆえ、こうしたフィルタでは有害な廃棄物を排出せざるを得ない。他の濾過技術はコストや、複雑さおよび大きさを増加させる技術の組み合わせを利用するものであり、これに対して本発明による単一のフィルタは、NCBW（核、化学、生物兵器）の脅威を緩和させるのに効果的なものとなろう。

米国特許出願第09/989,225号に示す水性の泡のフィルタは、石膏壁パネルの仕上げ時における研磨中に発生する、大量の厄介な塵を除去することができる。この厄介な塵の一部はサブミクロン寸法を有するものである。知覚できる全ての汚染物を空気流から除去したとしても、巨視的な量では存在しないサブミクロンの寸法の汚染物を水性の泡の空気フィルタを通して引き込み、真空源を増強させることができる。サブミクロンの寸法の汚染物は、泡の気泡の壁が飽和した繊維要素の濡れた表面によって吸収される、あるいは繊維の濡れた表面の表面張力と空気流中の気泡の表面摩擦との間で分裂するまで、気泡内部で空気中に滞留し続ける。気泡中の汚染物が、飽和した繊維要素近傍の、泡の柱の頂部で開放されると、サブミクロンの寸法の汚染物は真空源に向けて飽和した繊維要素を通過することができる。

本発明は特に、スーパーミクロンおよびサブミクロンの寸法の汚染物を空気流から、より徹底的に濾過するための核生成技術を含む、水性の泡のフィルタを提供するものである。有害なエアロゾル化した汚染物、すなわち化学、生物および放射性物質による大量破壊兵器、またはスモッグ（例えば酸性のエアロゾル）、アレルギー誘発物質（生物活性エアロゾル）および不所望のサブミクロンの寸法の汚染物（研磨物、腐食物）からのフィルタの防護は、サブミクロンの寸法の汚染物、水性の泡の濡れた表面および濾過溶液との間での強制的な接触および合体のために、米国特許出願第09/989,225号に示す元の水性の泡のフィルタよりも、より完全で、かつ信頼性の高い方法を必要とする。さらに、水平空気流型の設計は、高い信頼性、低維持コスト、連続使用、溶液リザーバ内での乱流に依存せずに泡を所定の体積に制限する手段を必要とする。

目的
本発明の主要な目的は、空気流から0.005ミクロンおよびそれよりも大きい寸法の汚染物を効果的に除去することのできるフィルタを提供することにある。

本発明の他の目的は、より良い濾過効率を達成するための、水性の泡と共に核生成の使用を組み合わせたフィルタを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、核、化学および生物兵器の物質を空気流から除去可能な濾過システムを提供することにある。

また本発明の他の目的は、政府、軍および民間の建物およびこれらの建物の居住者を、空気によって輸送される化学および生物兵器から防護するための濾過システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、洗浄の現場から有害なエアロゾルを回収して除去することのできる濾過システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、工場または他の放出源から二酸化炭素および他の排出物を反応させて除去することのできる濾過システムを提供することにある。

他の目的および利点は、以下の記述および図面より明らかになるであろう。

詳細な説明
本発明の第一の実施形態を、高真空(HVAC)ユニット用の標準的なtwo-foot by two-foot型の空気取り入れ口ダクトによる水平流型の水泡式空気フィルタとして例示的に図1に示す。ここで選択および記述する材料は、本発明の範囲に限定されない。水性の泡および噴霧ノズルの作用は、明瞭化のために図1には示さないが、本実施形態における泡およびノズルの作用は図2に示す。

改良した標準的な窓据え付け形の空調装置（G.E.社製のmodel#AGD12AA）は、冷却システム110、電動モータ120、ファンブレード130、遠心ブロワ／液滴分離器140、シャシ101および電子制御部を供給するが、これらは本発明の開示部の一部ではない。

本発明は、空調装置100内部の管路を、入口103を通して空気を引き込み、蒸発用の冷却コイル150を経て空気を空調装置100を通過させ、凝縮用の冷却コイル160を通して空気流を排出させるように変更している。空調装置は除湿装置として機能するが、冷却コイル150，160は実質的により放射の大きな表面を有する。従来型のファンブレード130および遠心ブロワ140はフィルタユニットを通過する空気を移動させるために協同して動作する。

陽極酸化したアルミニウム製フレーム（図示せず）は高さ24インチ、幅24インチおよび長さ30インチで、内部がHVACユニット用の標準的なtwo-foot by two-foot型の空気取り入れダクトの水平型の水泡式空気フィルタの全ての部品を収容するように作られる。

透明なアクリル製パネルがフレームを取り囲み、また、ダクト180、リザーバ190およびチャンバを規定する仕切り壁を構成する。

HVACユニット用の標準的な粒子式の空気フィルタ200を、アルミニウム製フレームに取り付けたアルミニウム製ブラケットによって所定の位置に保持する。

噴霧ノズル210を、収容区画107内の液体輸送ポンプ212および空気圧縮機211と接続させる。

霧化チャンバ215を閉鎖した仕切り壁底部に平行なアクリル製仕切り壁から形成する。

篩220は霧化チャンバ215と泡化チャンバ230との間の仕切り221を含み、この仕切りは、これを貫通する多数の孔を有する。篩220の孔の大きさは、泡中の気泡の寸法を制御する。

泡化チャンバの気泡（明瞭化のために図1では示していない）は、溶液の表面積に指数関数的に膨張する。

蒸発コイル150は泡から水分を除去して極小の液滴に凝縮し、液体の蒸気を液相に変化させる。汚染物を含む液体は冷却コイル150から溶液リザーバ240へと排出される。

遠心ブロワ／液滴分離器140は、空気流の中に浮遊するいかなる極小の液滴をも蒸発用の冷却コイル150後方のブロワ140内へ引き込み、引き込んだ液滴を溶液リザーバ240内へ排出するためにブロワのハウジング141表面上に放出する。

凝縮コイル160は熱を電動モータ120からの付加的な熱と共に空気流へ戻す。

濾過液の添加物は反応性の化学物質で中和され、殺菌用のエアロゾルで殺菌され、そして泡の形成が促進または抑制される。

ユーティリティチャンバ102は液体輸送ポンプ、空気圧縮機および溶液の化学薬品のためのものである。

図1の実施形態の動作
図1に示す実施形態における相対的に低い気圧は、電動ファン130が空気を粒子フィルタ200内へ引き込み、空気を凝縮用の冷却コイル160の外へ強制的に排出することにより、フィルタ全体を通して形成される。

濾過液の一部は、低圧によって泡化チャンバ230へと溶液リザーバ240から引き出される。

矢印250で示す汚染された空気流は、大量の汚染物が溶液リザーバ240内へ入り込むことを防ぐために、標準的な高真空用の粒子フィルタ200内へと引き込まれる。

噴霧ノズル210は、広いスペクトルの半径（0.001〜1000ミクロン）を有する極小の液滴（図1には図示せず）を汚染された空気流250内へ導入する。異なる慣性を有する種々の半径の極小の液滴は、霧化チャンバ215の動的な環境下での接触により、汚染物を空気流の外へと掃き出す。極小の液滴の幾つかは衝突および結合して、慣性によって空気流から除去され、より小さい極小の液滴は空気流内に浮遊し続け、最も小さい極小の液滴は蒸発して空気流の液体蒸気圧まで上昇する。

空気流250は、溶液リザーバ240上方にある、霧化チャンバ215内の狭くなった流路に引き込まれることにより加速する。

溶液リザーバ240の表面は大量のエアロゾルの大半を捕らえるものであり、液滴は大きすぎるために空気流によっては運ばれない。

飽和した空気流は拡散用の篩220を通過して泡化チャンバ230内へと引き込まれる。濾過液の表面積は指数関数的に拡大し、微少な気泡（図1には泡は示さない）による泡を連続的に形成する。汚染物と極小の液滴は気泡内部の空気内を浮遊する（図3に最も良く示す）。汚染物に対する空気流の速度は、泡の各気泡内部に形成される極小の大気の中で減少する。重力加速度が、汚染物または極小の液滴表面の空気抵抗に打ち勝つ。汚染物および極小の液滴は、図3で最良に示すように、泡の気泡内部の湿った表面上に沈降する。汚染物および極小の液滴のあるものは気泡内部の空気中に浮遊し続ける。気泡が冷却されると、さらなる凝縮および核生成が発生する。

泡化チャンバ内での気泡の外面および溶液表面は、破裂する泡から抜けて行くいかなる汚染物をも除去する。空気によって運ばれる液体のエアロゾル内に現在浮遊している他の汚染物も、凝縮および脱湿が継続することにより除去される。

泡（図1には示さず）は低圧によって冷えた蒸発用冷却コイル150へと引き込まれる。

冷却コイル150に近接した、泡の局所的な領域は熱伝導により冷却され始め、水蒸気圧を上昇させて気泡内部の空気を飽和させる（図1では示さず）。

泡が蒸発用の冷却コイル150を通して引き込まれると、泡中の溶液の蒸気は、有効な核および浮遊する極小の液滴を凝縮し、泡内部の空気中を浮遊する溶液の極小の液滴内の汚染物を捕捉する。

泡の壁は、開放される気泡内部の過飽和空気を、雨状に空気中あるいは冷却コイル上で凝縮するために、冷却コイル150の冷えた表面上で圧縮する（図3参照）。

汚染物を捕捉した溶液は、蒸発用の冷却コイル150から溶液リザーバ240内へと排出される。

溶液リザーバ240は、熱源（温水管）と熱伝達する噴霧ノズル210への溶液管を配置することにより、25℃に維持される。

蒸発用の冷却コイル150を通して引き込まれた後の、空気流中を浮遊する溶液の液滴は遠心ブロワ140内へ引き込まれ、ブロワハウジング141へ投入され、そして溶液リザーバ240内へと戻るように排出される。

矢印251で示す空気流は、この空気流から除去した熱の熱交換を行うための凝縮用冷却コイル160を通して排出され、空気の体積は増加し、相対湿度は減少する。

図2-10の詳細な説明
図2は、図1の装置の能力を向上させたものを示すものであり、対応する構成部品を、図1の100番台および200番台をそれぞれ300番台および400番台の符号で識別している。図2に示す装置は、水性の泡500の冷却を強化するために、二重の蒸発器350，351および、二重の間欠稼働型の冷却コイル352，353を使用している点が図1に示す装置とは異なっている。多重型の凝縮器361，362および363を、空気流から取り出す熱の熱交換をより効果的に行うために設けている。他の特徴においては、図1および図2に示す実施形態は同等であり、図2の詳細な説明は簡潔さの利益のために与えない。図2はまた、流入する汚染された空気流へ噴霧ノズル410によって導入される極小の液滴の霧510ならびに水性の泡500を図しする。

核生成
図3A-3Gは、「核生成」の技術および、水性の泡の一つの気泡600がどのようにして形成され、また二つの汚染物620および640がどのようにして水性の泡の気泡600内部に捕捉され、溶液リザーバ440へ戻されるか、について模式的に図示するものである。汚染物620および640は、大きさが1ナノメートル程度のオーダーの極度に小さいものである。汚染物620，640および極小の液滴（明瞭化のために図示せず）は気泡600内部の飽和空気中を浮遊し、流入する空気流は、空気流が水性の泡に進入するのに先だって、噴霧ノズルによって湿らされ、あるいは飽和させられる。空気流の速度は、気泡600内部で生成する極小大気中で低下する。符号620で示す相対的に重い汚染物と空気流との間の表面摩擦による空気抵抗は重力加速度に打ち勝ち、汚染物620は気泡600内部の湿った表面上へと沈降する（図3B参照）。符号640で示すような汚染物のあるものは、気泡内部の空気中を浮遊し続ける。

気泡600は低圧によって、冷えた蒸発用の冷却コイル350（0℃）へと引き込まれる。冷却コイルに近接した泡の局所的な領域は熱伝導によって冷却され始め、水蒸気圧は上昇し、符号650で示す泡内部の空気は過飽和状態になる。

気泡が蒸発用の冷却コイルを通して引き込まれると、気泡600内部の液体の蒸気650は気泡内の汚染物の核620，640上で凝縮し、この汚染物620，640を溶液の極小の液滴内に捕捉し、気泡内部の空気中に浮遊する（図3C，3D参照）。この過程をここでは「核生成」と呼ぶ。

気泡の壁は冷えた空気中および冷却コイル350の冷えた表面上で凝縮し（図3E参照）、気泡内部の過飽和空気を同様に冷却コイルおよび空気上で凝縮させるために開放する。

汚染物620，640を捕捉した溶液は、蒸発用の冷却コイル350から溶液リザーバ440へ排出される（図3F，3G参照）。溶液は凝縮用の冷却コイルまたは他の熱源近傍に配置した溶液管によって所望の温度に保たれる。流体、冷却面、流入および流出する空気流の温度は、濾過効率または反応性に対するエネルギー消費のトレードオフによって決定され、またフィルタ性能の最適化のために変化させることができる。

サブミクロン噴霧ノズル
図4-6は、本発明で用いるサブミクロン噴霧ノズルを示すものである。図4-6に示す噴霧ノズルは、圧縮した空気流によって分割される濾過溶液の質量を変化させることによりサブミクロンの寸法の液滴を形成することが可能である。液体噴霧ノズル750（図4参照）は、ミクロンの寸法の液滴を飽和させるために空気流の蒸気圧を急上昇させるように、加圧した濾過溶液および圧縮空気を用いる。泡立つ溶液と共に用いた場合、液体噴霧ノズル750は多様なサブミクロンの寸法の液滴を生成することができる。

泡噴霧ノズル710（図5および6参照）は、泡状の溶液から水性の泡へと溶液流のスペクトルを生成するために、内部で圧縮空気と液状の濾過溶液とを混合する濾過溶液の泡は、圧縮空気へと収束する多数の計量用スロットを通して付勢される。空気流は多様なサブミクロンの寸法の液滴を生成するように泡を分割する。

図5は、組み立てた泡噴霧ノズル710を模式的に図示するものである。中央の流路715はノズル先端部720へ向かって流れる圧縮空気を供給する。第二の孔725もまた、ノズル先端部720へ向かって流れる加圧した溶液を供給する。孔725は中央の孔715を囲む円筒形の孔であることが望ましい。泡化チャンバ735をノズル先端部720に隣接して形成する。多数の計量用ポート716が、中央の流路715から第二の孔725へと連通するように、また第二の孔と泡チャンバ735との間を連通するように延在する。動作に際し、中央の流路715内の圧縮空気の一部が第二の孔725へと流入し、泡の形成の開始を生じさせ、泡は泡チャンバ735内へと広がる。チャンバ735内の泡は泡チャンバ735とノズル先端部720に隣接する出口流路721との間に形成した多数の計量用スロット737を通過して流れる。一つのＯリングシール740は泡チャンバ735の背面をシールし、計量用スロット737を通してチャンバ735から泡を強制的に放出させる。計量用ポート716に流入しない圧縮空気は出口流路721を通して流れる。圧縮空気は、計量用スロット737からノズル先端部720を貫通する出口流路721を通して外へ向けて泡を強制的に排出させる。それによって、極小な寸法の液滴645の雲が形成される。

図4Aは組立後の液体噴霧ノズル750を図示するものである。ノズル750は、図4B-4Eに示す四個の部品を含む。圧縮空気は中央の流路755内へ供給される。圧縮空気は全てノズル先端部760を貫通する出口流路761を通して直接流れる。加圧された濾過溶液は第二の円筒形の孔765内へと供給され、計量用ポート766および計量用スロット767を通過して、約45°の角度で出口流路761へと流入する。液体噴霧ノズル750では、図5に示す泡噴霧ノズル710のように内部で泡の形成は行わない。

図6に示すように、組立後の噴霧ノズル710は濾過溶液の配管内に取り付けた真鍮製のＴ字形金具の内部に組み付けるものであり、真鍮製のＴ字形金具の寸法に従って大きさを拡大縮小することが可能である。図6B-6Eに示す四個の独立した金具を、図6Aおよび図5に示すように組み立てる。圧縮空気の流路は真鍮製のＴ字形金具の背面と結合する。濾過溶液と圧縮空気流との間の圧力差は形成する液滴の寸法および、空気流内へ噴射される濾過溶液の質量を決定する。溶液の配管から空気流の配管へ至る計量用スロットは、空気流に流入する溶液の体積を制限する。高い空気流の速度は、溶液の配管から空気流の配管へ至る計量用スロット内に相対的に低い圧力を発生させる。分割点での水の体積に比例する空気流の運動エネルギーは、生成させる液滴の寸法を決定する。調整可能なノズルキャップは計量用スロットの流入ポートの面積を規制する。水の質量に比例する空気流の高い相対運動エネルギーによって形成されるサブミクロンの寸法の液滴は、その時点において分割される。このノズルは流入する空気流内で飽和するように溶液の蒸気圧を急上昇させるのに必要な溶液の体積を提供する。

質量が変化する水流を圧縮空気流と共に分割することは、多様なサブミクロンの液滴の寸法を生成する。溶液内の気泡は空気流に流入する溶液の質量を変化させる。発泡溶液ノズルはノズル本体中の多数のポートにおいて加圧した濾過溶液を計量する。配管中の溶液圧力は、限定された体積の溶液が圧縮空気流と同心のチャンバ内へと放出されるように、計量ポートで維持される。溶液は配管の圧力から開放されてチャンバ内で発泡する。発泡した溶液は、空気流の高い速度によって生成する低圧により、計量スロットおよび、ノズル本体内の計量スロットとノズルキャップとの間の空間内へと引き込まれる。計量スロットは、発泡溶液流を圧縮空気流周辺の周りの分割点へと分配する。圧縮空気流は発泡溶液流を限定された多様性を有するサブミクロンの寸法の液滴に分割する。

泡噴霧ノズル（図5および6参照）は気泡状の溶液から水性の泡へと多様な溶液流を生成するために、圧縮空気を加圧した溶液と混合する。気泡は空気流と共に分割点で溶液の質量を減少させる。水性の泡は分割点での空気流の運動エネルギーに比例する最低限の濾過溶液質量を含み、最小の液滴を生成する。噴霧ノズル内部の空気チャンバは、ノズルの最小断面部の前で、気泡を溶液流内へ押し込むために空気流の速度を減少させ、またノズルの最小断面部での分割点における相対的に低い圧力を減少させる。濾過溶液と圧縮空気流との間の圧力差は、泡の形成、物質の流れおよび液滴の寸法を規制する。

噴霧ノズルはコンパクトで安価、しかも単独あるいはノズル列としてインラインで使用するために設計されている。多数の計量ポートおよび計量スロットはノズルの詰まりを防ぐ。調整可能なノズルキャップは計量スロットの流入ポートの面積を規制する。調整可能なノズルキャップは、質量流を調整し、価値の高い用途のための定期点検期間における計量スロットの詰まりの清浄化のためにコンピュータ制御のサーボモータを取り付けることができる。

図7-10は、水性の泡のフィルタと協同する核生成技術を利用した本発明の種々の実施形態を模式的に図示するものである。

図7は符号800で概略を示す第三の実施形態を示すものであり、符号802で示す入口管を通って移動する汚染された空気流を矢印801で示す。符号805で示す噴霧ノズルシステムは、流入する汚染された空気中に微細な霧806を噴射する。汚染された空気は矢印807で示すように、液体表面の水位809を有する液体リザーバ808へと下方へ移動する。汚染された空気流は矢印811で示すように液体リザーバ内へと拡散し、符号815で概ね示す水性の泡を形成させることとなる。水性の泡中の気泡は冷却空気および表面820と接触し、冷えた金属表面820と接触するように各気泡内部で汚染物の核生成を生じさせることとなる。大型で凝縮した粒子は、浄化および／または処理するために液体リザーバ808へと単純に戻される。

図8は符号900で概略を示す第四の実施形態を示すものであり、この実施形態は、円筒形のハウジング910内に垂直方向に配置したフィルタの多様なステージを含む。流入する汚染された空気は取り入れ口920から入り、液体リザーバ930内へと下方へ付勢される。ここで液体の上面を符号931で示す。水性の泡は液体表面931上で直ちに生成し、一連の噴霧ノズル935が微細な霧を、流入する汚染された空気流内に噴射する。泡の気泡は符号950で概略示す凝縮ステージへと上方へ移動し、気泡が冷却されると、上述したように、汚染物が冷えた、好ましくは金属製の表面または空気と衝突し、液体リザーバ930内へと下方へ排出される。浄化された空気流960は脱水ステージを通過して、通常は真空により排気口970へと噴出する。

図9は符号1200で概略を示す本発明に係る移動型フィルタを、どのようにして符号1220で概略示す移動型テントと共に汚染領域1210へ輸送するか、を模式的に示すものである。矢印1230で概略示す、空気によって運ばれた汚染物は、テントまたは建物1220内部に収容され、移動型フィルタ1200の取り入れ口1250内へ導入され、空気流から除去されてリザーバ1260内の浄化液内に収容される。浄化された空気は符号1270で示すように大気中に排出される。三人の作業員を符号1271，1272および1273で示す。これら作業員は防護服を着用し、移動型テント1220および移動型フィルタ1200に配置して、作業現場において必要に応じてこれらを移動させる。多様な溶液を作業用の噴霧流体として使用することができる。次亜塩素酸ナトリウム（漂白剤）やEZ-Decon（過酸化水素）、苛性物（caustics）、酸化剤、殺菌剤、殺胞子剤、殺黴化合物（mold killing compound）および他の化合物が、有害な化学物質および／または生物学的製剤のエアロゾルを中和することとなる。核、化学物質、生物学的な酸性の物質、アルカリ性の物質または他の有害なエアロゾルに対する防護は、水泡式フィルタのあらゆる態様において所望の特性を有する溶液を使用することによって達成することができる。

図10は本発明の第六の実施形態を模式的に図示するものである。この実施形態は符号1300で概略示す産業用フィルタの典型的なデザインを示すものであり、本発明にしたがって構築されたものである。汚染された空気は、取り入れ口1310から流入して、液体表面の水位1321を有する液体リザーバ1320内へと下方へ付勢される。明瞭化を図るために噴霧ノズルは図示しないが、噴霧ノズルは、汚染された空気がリザーバ1320内に収容した液体中に拡散する前に、流入する空気流中に微細な霧を導入するために用いる。汚染された空気流は泡チャンバ1330へ流入し、ここで汚染物は上述した核生成にさらされ、液体リザーバ1320内へと下方へ戻される。矢印1350で示す浄化された空気は排気口1360を通して噴出する。汚染物は液体ポンプ1371によって液体リザーバ1320から処理または再生用タンク1370内へ圧送される。液体フィルタ1375は固体状の汚染物を可能な限り除去するために用いる。弁1376および1377は液体リザーバ1320から汚染物を除去する必要がある場合に断続的に開閉する。本実施形態は有害なエアロゾルの除去のみならず、有用な産業用エアロゾルの再生も可能である。また、本実施形態は、特別に設計した溶液を用いて、二酸化炭素または他の不所望の廃液を空気流から除去するための適切な溶液を利用する可能性を有している。こうした溶液の一例として、CO₂を分離するために次の反応式、2NaOCO₃<-->Na₂CO₃＋CO₂＋H₂Oを用いる。特別に設計した他の多くの溶液、例えば水酸化ナトリウム（NaOH）の水溶液を用いた一例は、液体および気体の反応チャンバとして水泡式フィルタを用いた場合に利用することができる。

動作理論
水泡式空気フィルタは、空気流中を浮遊する汚染物と、水性の泡の表面との間で強制的に接触を行わせるための大気物理学の原理を応用することにより、スーパーミクロンまたはサブミクロンの寸法の汚染物を空気流から除去する。

広いスペクトルの半径を有する溶液の極小な液滴を、様々な機能を達成するために汚染された空気流中に導入する。異なる寸法の極小な液滴は、異なる慣性、液滴速度、運動エネルギーを有し、乱れた空気流中で他の極小な液滴および汚染物との接触、衝突および合体を増加させ、一方、核生成のための材料をも提供する。極小な液滴の一部は接触によって空気流外へ汚染物を掃き出す。液体もしくは気体としての流体の相は、分子間力および分子間距離をもたらす。液体中では、粒子はそれぞれ強い力の場で固定され、反発力が許容されるように相互に近接して固まる。気体分子は相互に十分に離れているので、分子間には弱い力のみが作用する。水溶液と接触する汚染物の表面摩擦は空気流中の汚染物の表面摩擦に打ち勝し、それによって捕捉された粒子が生じることとなる。極小な液滴の一部は空気流での力学的作用で衝突および合体し、慣性および重力加速度によって除去される。分子間力および液体同士の接触での分子間距離は強い分子結合を構築する。極小な液滴の質量は他の極小な液滴と合体することにより増加する。極小の液滴は空気流との表面摩擦と、極小の液滴の慣性に加わる重力によって加速される。極小の液滴の高い慣性は風の抵抗に打ち勝ち、極小の液滴はフィルタの濡れた表面または溶液、または冷えた空気、あるいは冷えた表面と接触し、汚染物は空気流から除去される。

より小さな極小の液滴（あるいは汚染物）と空気流との間の表面摩擦が重力加速度よりも大きい時、極小の液滴（あるいは汚染物）は空気流中を浮遊し続ける。汚染物と空気流の表面摩擦による加速度、重力加速度および慣性は空気流中の汚染物に速度を与える。より小さいエアロゾルの空気による衝撃緩和は接触を妨げる。

溶液の最小の極小な液滴は蒸発して空気流中の溶液の蒸気圧を上昇させる（Kelvinの曲率効果，1870年）。液体の表面積および表面張力に比例し、液滴が浮遊する大気の蒸気圧に反比例する液相中の分子の質量および運動エネルギーは、大気中の極小の液滴の寸法を制限する。吸湿性の核（0.001〜10ミクロン）は大気中の水蒸気分子を引き付け、曲率効果は雲状の極小な液滴の寸法を、大気中の局所的な条件に依存して、全ての液状の水分子が蒸気相に変化するまで停止すること無く蒸発が連続する点を越えるまで、すなわち略20ミクロンに制限する。通常の大気の湿度および空気ダクトの取り入れ口で減少する圧力は、水泡式フィルタでの不可逆的な相変化の前に極小な液滴の寸法を増加させる。局所的な条件に依存して、空気流中に導入される50〜100ミクロンまたはそれよりも大きな極小の液滴は、まず蒸発し、蒸発した極小の液滴の寸法は、空気流の相対湿度が蒸発した極小の液滴によって増加するのに比例して減少する。

泡の気泡は極小の大気を形成し、この極小の大気は空気流中に浮遊する汚染物周りの局所的な条件を、空気流の動的な環境から気泡内部の静的な雰囲気へと変化させる。空気の移動が無いため、重力加速度は、汚染物または極小の液滴の風の抵抗によって汚染物または極小の液滴に加わる加速度に打ち勝ち、汚染物および極小の液滴は空気から気泡内部の濡れた表面へと分離する。拘束から離れた極小の液滴は汚染物を空気の外へ掃き出す。汚染物および極小の液滴の一部は、分子間引力および気泡内部の飽和した極小大気の浮力によって空気流中を浮遊し続ける。

泡のダクト中の狭い経路を横切る電気的なバイアスが、極小の液滴の衝突−合体の効率および、汚染物と溶液の極小な液滴と泡表面との間の接触を増加させる。より高い濃度の溶液は、溶液中のより高い電流とより小さい電気抵抗のための、より多くのイオンを含む。電流は電極の分離する距離に反比例する。電圧は電極間の間隔にかかわらず同じ値を保つ。適切なACバイアスは、浮遊する汚染物と水性の泡の濡れた表面との間の接触を増加させるブラウン運動を拡大する。DCバイアスは雲の電気力に類似しているが、H₂O₂の不均一化を妨げ、電気分解による還元を増加させることを可能とする。

冷えた冷却コイルの表面に近接した熱伝導領域は、気泡内部の極小大気を冷却し、溶液の蒸気圧を上昇させ、好ましい不均質な核生成の条件をつくる。溶液の蒸気は空気中に浮遊する利用可能な汚染物上で凝縮し、各汚染物を溶液で被覆する。不均質な核生成によって形成された極小の液滴は空気の冷えた表面上、気泡、冷えた表面および冷却コイル上で凝縮する。

冷えた冷却コイルによって空気流から除去された熱は追加的な湿気無しに置換される。電動モータ、冷却用圧縮機、流体ポンプおよび噴霧用の空気圧縮機の熱は、空気流から除去された元の熱と組み合わせた時、空気流を再加熱し、空気の体積の膨張を元の体積よりも増加させ、相対湿度を元の水準よりも減少させる。

溶液リザーバの温度は、管内を通る濾過液が熱源（電動モータまたは他の廃熱を利用するための空気圧縮機）または冷却源と熱伝達をすることにより、25℃または任意の所望の温度に維持される。

音波は汚染物および極小の液滴を互いに、および泡の濡れた表面と接触させるように振動させる。泡／空気ダクト中の狭い通路に配置することにより、音波は気泡の壁を分裂させ、汚染物を冷えた空気と相互に接続する濡れた泡の表面へと開放する。

圧縮空気の噴霧ノズルに代えて、音波または他のエネルギー手段を用いて霧を生成することが可能である。

脱水は熱的（凝縮）または機械的（遠心分離）手段を通して達成しても良い。

本発明についての先の記述は、図示および説明の目的のために提示したものであり、網羅的なものを意図するものではなく、あるいは本発明を厳密な形で開示するものに限定しようと意図するものではない。上述の示唆する事項に照らして改良および変形が可能である。本発明の実施形態は、本発明の原理を最も良く説明するために選択かつ記述されたものであり、実際の適用は、それゆえ、本発明を、当業者が種々の実施形態を実際の使用を熟慮した適切な種々の改良と共に最も良く使用することを可能とする。本発明の範囲は、以下のクレームによって定義される。

本発明による水泡式フィルタの第一の実施形態を模式的に示す図である。本発明による水泡式フィルタの第二の実施形態を模式的に示す図である。本発明における核生成動作の様相の理論的な概念の模式的な説明を構成する図である。液体噴霧ノズルを示すものであり、図4Aは組み立てたノズルを、図4B-4Eは液体噴霧ノズルの部品を示すものである。サブミクロン噴霧ノズルを模式的に示す図である。図5に示す噴霧ノズルの構造を示すものであり、図6Aは組み立てた噴霧ノズルを、図6B-6Eは噴霧ノズルの部品を示すものである。本発明の第三の実施形態を模式的に示す図である。本発明の第四の実施形態を模式的に示す図である。浄化作業を補助するための移動式テントシステムを用いた第五の実施形態を模式的に示す図である。産業用のフィルタとして、あるいは産業用のフィルタを含む第六の実施形態を模式的に示すものであって、煙突のような産業上の空気源または潜在的に有害な排出物あるいは温室効果ガスを生成するような他の工程での利用に適したものを示す。

Claims

スーパーミクロンおよびサブミクロンの寸法の汚染物を、当該汚染物で汚染された空気流から濾過する方法であって、
前記汚染された空気流を、収容した水溶液内へと通過させる工程、
前記汚染された空気流を、前記収容した水溶液を通して拡散および通過させる工程、
前記収容した水溶液上で、濡れた表面を有する水性の泡を発生させ、かつ、当該泡を連続的に維持し、それによって洗浄チャンバを形成する工程、
前記汚染された空気流を、前記洗浄チャンバ中の前記水性の泡に通す工程、
空気流中を浮遊する汚染物と、水性の泡の濡れた表面との間の強制的な接触のために、多様な寸法を有する溶液の液滴を前記汚染された空気流内に導入する工程、
前記洗浄チャンバ内で、前記汚染物を前記水性の泡の液状の表面と接触させるように導入して、前記水性の泡の表面上の前記汚染物を前記空気流からを分離する工程、
前記洗浄チャンバ内の前記水性の泡の表面から前記水溶液へと前記汚染物を輸送する工程および、
浄化した空気流を排出する工程を具える方法。
前記水性の泡と冷えた空気の表面または液体によって冷却された冷媒との間の強制的な接触を行う工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
水性の泡とあらゆる冷却装置の冷えた表面との間の強制的な接触を行う工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
水性の泡と、泡を所定の体積に制限するために約0℃の冷水によって連続的に冷却した冷却コイルの冷えた表面との強制的な接触を行い、泡の脱水および空気流の脱湿を行う工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記泡を水性の液滴の噴霧によって所定の体積に制限する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
遠心式の液滴分離器によって空気流から液滴を除去する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記水溶液の蒸気相から液体相への相変化を最大化するために前記水溶液の温度を維持する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
濾過効率を最適化するために水溶液の温度、蒸気の温度または空気の温度を所定の温度および湿度に維持する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を前記水溶液内へ引き込み、化学反応によって汚染物を中和する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を前記水溶液内へ引き込み、化学反応によって汚染物を回収する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を前記水溶液内へ引き込み、その後の処理のために汚染物を水溶液中に収容する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を前記水溶液内へ引き込み、その後の処理のために汚染物を水溶液中から濾過して濃縮する工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を、当該汚染された空気流に圧力差を加えることにより前記水溶液内へ引き込む工程をさらに具える、請求項１記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。
前記汚染された空気流を真空源に向かう負の相対圧力下で排出する、請求項１３記載の汚染された空気流から汚染物を濾過する方法。