JP2010524667A - 水力渦システムを用いた流体浄化 - Google Patents

Abstract

水浄化のためのアセンブリは、流体供給ラインを介して間で流体連通される一連の容器を備える。このアセンブリは、流体が前記容器の内側壁に衝突することによって、複数の協働に操作を行う渦を発生させるようにアセンブリが配置することにより、上昇流体流れが流体流れの方向に曲がって戻り、局部渦が発生する。前記容器から流出する水は、前記容器に流入する水より清浄である。

Description

本発明は流体のための前処理の効率の改善に関し、特に、水に限るものではないが水のような汚染流体を処理するための水力渦システムに関する。また、一般に本発明は、淡水化のための海水の前処理、汽水の軟水化及び流体の浄化のための渦システムに関する。さらに本発明は、このような前処理のための装置を提供する。

特に水処理において、様々な浄化過程が存在する。これらは多くの態様をとり、食品産業、下水処理、淡水化に用いられる。

今日、淡水化システムでは、逆浸透等の過程を含み、化学薬品（chemicals）を用いた高価な過程が用いられている。逆浸透では、フィルタ要素が用いられ、汚染の問題を解決するために化学薬品が供給水の前処理に用いられ、海水から淡水を分離する逆浸透膜にカルシウム化合物がコーティングされている。

また渦システムが、流体から汚染物を取り除くために、特に、搬送流体（carrier fluid）からより高密度／高質量の物質を分離するために用いられてきた。

渦システムの一例として、米国特許第７００１４４８号明細書には、気体流から液体成分を分離するための渦ファインダチューブを用いたシステムが開示されている。気体流から混入液体成分（entrained liquid component）を分離するためのシステムでは、液体出口端部と、側壁と正接する（tangential to its sidewall）湿性気体入口とを有する少なくとも１つの渦チューブが用いられ、渦チューブの内部で湿性気体が回転するように配置され、遠心動作により液体成分に内側壁表面に向かって力が発生する。オリフィス板は、渦チューブの第１の端部を閉口し、内部に同軸の気体出口開口部を有する。渦ファインダチューブは渦チューブの内部で同軸に延設され、渦ファインダチューブと渦チューブの内側壁との間に環状領域を提供する。気体デフレクタ（gas deflector）が環状領域内に配置され、下方向に螺旋した表面を有し、この表面で湿性気体の経路を湿性気体入口から離間する下方に変える。ある実施形態では、流出チューブがオリフィス板の中央開口部に取り付けられ（affixed）、流出気体の経路が下方向に変えられる構成となっている。

別の一例として、米国特許第６５７６０２９号明細書にも、気体流から混入液体成分を分離するシステムが開示されている。

流体の分離のための別のシステムとして、米国特許第５７１４０６８号明細書には、大きい油田のセパレータとしての注入装置（inlet device）が開示されている。装置は、油／水／気体の混合物をセパレータ容器内へ通過させるための注入運動量吸収機（inlet momentum absorber）を有し、セパレータ容器は、容器壁を通って容器内部へ延設される注入ノズルと、ノズル軸とを有する。皿形状のデフレクタが容器内部で支持され、デフレクタの近傍でノズル軸が交差している。複数の近接した状態で離れた円柱状ポスト（cylindrical posts）が大きくなる円周状パターンで配置され、容器内に分散領域を規定し、分散領域はノズルの軸回りに等間隔に（equilaterally）形成されている。近接した状で離れた円柱状ポストにより、分散領域から容器内部へと流れる油／水／気体の混合物が多くの蛇行経路（tortuous paths）を通過する。

別の力学的分離システムとして、米国特許第６９９７３２８号明細書には、流体から粗粒子を取り除くための粗粒子除去アセンブリが開示され、このアセンブリはタンクを備え、タンクは流体のタンクへの入口とタンクからの出口を有する。アセンブリに向かう流れはタンク内部の流体入口の近傍に位置し、流体入口と反対側に略Ｕ字状の表面を有し、入口を介してタンクに流入した流体に流入流れ方向と９０°以上の角度を有する方向に逆流が発生する。少なくとも１つの実施形態のアセンブリでは、さらにタンク出口の近傍に配置されるバッフルを備え、出口近傍の流れを制御している。また、さらに別の実施形態のアセンブリでは、タンクの凹部に配置されるスクリューコンベヤを備え、バッフルが凹部の近傍に配置され、スクリューコンベヤ近傍の流体流速を最小化している。

水処理装置の別の一例として、米国特許第７００１５２７号明細書には、雨水処理装置及び方法が開示されている。特許は、あふれた（runoff）雨水の汚染物を分離するための液体浄化及び分離装置を示している。この装置では重力分離及び蛇行が用いられ、これらは主な水流れに対して直交及び斜めの両方の複数のバッフルにより生じ、水より低密度及び高密度の物質を止める（trap）。この装置は、流量よりもむしろ水の体積の処理により汚染物の再流動化（remobilization）への耐性が改善されることを特徴とし、小粒子を沈降するために鉛直方向に積み重なった水コラム（column）が用いられる。あふれ構造は、浄化及び分離と干渉することなく過度の液体の経路を変え、装置の柱栓（receptacle）の内部又外部に一体に配置されている。

国際公開第８４／０２８５５号パンフレット（ＰＣＴ／ＦＩ８４／００００５）では、媒体から異種の要素を順次に分離するための方法及び装置が先行技術として開示されている。国際公開第９５／２５５８４号パンフレットには、流れ媒体を混合するために用いられる容器が開示されている。容器は流れ媒体の混合又は流れ媒体からの重い成分の抽出のために用いられ、容器内へ流れる媒体に自然渦を発生させるための手段が設けられていることを特徴とする。この特許明細書で開示される発明では、容器の断面は、渦が発生する領域内に容器より小さいサイズの少なくとも１つの乱れ増し部（abrupt increase）を有する。

前述の記載のように、様々な分離システムがあり、システムには流体の流れを発生させるため及び浄化、その他の目的を高めるために渦を用いたものが含まれる。

本発明は、流体流での分離及び／又は浄化過程を行うために渦を用い、発生させる既知の装置、機器、過程、システムの代替案を提供する。

本発明は、一般に液体の浄化及び分離のための方法及び装置を提供し、特に、これに限るものではないが海水の水流又は冷却塔水流のような汚染水から汚染物を分離するための装置を提供する。

本発明の一態様の装置では、水流の経路に配置される複数の構成体を備える容器を提供し、これに限るものではないがバッフル等の構成体を用いて（これに限るものではないが汚染物等の）流体構成要素の分離に寄与し、バッフルは主な水流方向に対して直交及び／又は斜めに設けられ、水流に渦を発生させ、汚染物の分離が可能となっている。本発明は、汚染物の再流動化に対する耐性の改善及び再流動化の減少の点で先行技術と異なる。

また、本発明では、水流の速度制御により浄化が改善され、既存の重力、補助表面、雨水処理システムを超える効率を有する。

本発明では、連続して配置される1つ以上の容器に導入される流体流に渦が発生し、それぞれの容器が内部で浄化可能となっている。渦は、所定の速度、所定の角度（attitude）で容器内へ導入される水と1つ以上の容器の壁の少なくとも１つの構成体との干渉により発生する。円柱形状が好ましい容器内で及び容器に導入される前に渦を発生させる導入流体は、大きくスパイラル状態及び泡状態（aerated）となり、流体渦にバクテリア及び微生物（micro organism）にほとんど適さない環境が発生する間、気泡空洞（cavitation）及び解離が大きくなる。

本発明では、本発明の過程での排水の処理により、排水が再使用される。本発明は、海水又は塩水の前処理に適用され、逆浸透のような慣用の淡水化処理に必要だったエネルギを大きく削減し、淡水化のコストがより経済的となる。また、本発明は、ボア（bore）水の硬度及び重い金属の除去、貯蔵水での粒子の除去及び洗浄に用いられる。さらに本発明では、水ネットワーク配送（reticulating）システム及び水再搬送プログラムの化学薬品汚染をなくす、又は、削減する手段を提供する。本発明は、渦を用いた既知のシステムと比較して病原菌、粒子、様々な汚染物質をより効率的に除去する渦を適用している。

本発明の最も広い形態は、水流の浄化処理を行うための装置において、前記装置は、内部空間の範囲を規定する壁と、流体を所定の角度及び所定の流量で内部に導入する入口をする容器を備え、前記容器内の前記流体で主渦スパイラルを発生し、前記壁の内側表面は、少なくとも１つの補助スパイラルを発生させるために、前記流体流と干渉する少なくとも１つの構成体を備え、前記主スパイラル及び前記少なくとも１つの補助スパイラルは、前記水流から汚染物質を少なくとも部分的に分離するために協働で操作を行い、前記容器から流出する前記水を前記容器に流入する前記水より清浄にする。

ある実施形態では、それぞれが水流の渦浄化を行う一連の装置を備える。別のある実施形態では、それぞれの容器内へ導入される水で、容器内へ流入する前に渦スパイラル（第３の渦）が発生している。これにより、渦効果が高められる利点がある。

流体流は、主渦スパイラルを発生させる方向及び流量でそれぞれの容器の入口へ導入され、構成体の幾何学的特徴と水流とが協働で操作を行い、補助渦スパイラルが発生することが好ましい。この装置では、それぞれの容器の底部の液溜めへの粒子の沈殿を補助するために重力を用いる際に、鉛直渦が適用されることが好適である。液溜めは、入口孔の近傍で底部から所定の距離だけ上方に形成されている。流体は、上方向及び正接方向に導入されることが好ましい。容器の底部又は底部近傍で正接に流体が流入された際には、流体の螺旋スパイラル流れは、容器の頂上部又は頂上部近傍に配置される出口まで上昇する。入口孔を高くすると、液溜めが深くなり、相対的に‘穏やかな状態（calm）‘での動作は観察され難くなり、液溜めの底部に向けて重力を受けると粒子は集められる。

本発明の別の広い態様は、流体供給ラインを介して間で流体連通される一連の容器を備える水浄化のためのアセンブリにおいて、前記アセンブリを、流体が前記容器の内側表面に配置される構成タに衝突することによって、複数の合成渦を発生させるように配置することにより、上昇流体流れが流体流れの方向に曲がって戻り、局部渦が発生させる。

それぞれの構成体は、流れのラインに垂直に配置される同様の水平な曲面を有することが好ましく、流体が容器の内側壁を出口に向かって上昇する際に、発達した小渦がそれぞれの下流の構成体によって合成される。

好ましい実施形態では、流体の曲がり及び続いて起こる小渦の発生は、流体流入孔の上方の位置で圧縮空気を正接に流入することにより高められ、圧縮空気は導入される流体と同一の方向に流れる。

本発明の別の広い態様であるシステムは、複数の容器を備える装置を具備する汚染水を浄化するためのシステムにおいて、それぞれの前記容器は、内部空間の範囲を規定する頂上部、底部、壁と、水源からの水流を前記容器の内部に配送する入口と、出口とを有し、前記水流を前記容器の内部へ所定の流量で配送する手段を備え、前記容器は、前記水流に主渦スパイラルを発生させる内部形状（internal contour）を有し、前記容器は、少なくとも１つの補助液圧スパイラルを発生させるために、前記流体流と干渉する少なくとも１つの構成体を備え、前記主スパイラル及び前記少なくとも１つの補助液圧スパイラルは、前記水流から汚染物質を少なくとも部分的に分離するために協働で操作を行い、前記出口を介してそれぞれの前記複数の容器から流出する前記水をそれぞれの前記容器に流入する前記水より清浄にする。

上記アセンブリの操作により、より低速度でより大きい粒子が沈殿し、ステージが増加し、別の分離したステージ内へ汲み出される流体の速度が増加すると、より高速な状態で空洞を形成し、その他の物質が除去される。ステージでは、３つ以上の渦シリンダが連続して配置されてもよい。

液溜めは、それぞれの容器に深さが可変に設けられ、流体から様々な質量の粒子を沈殿させ、容器の出口から流出してもよい。

本発明について、これに限るものではないが好ましい実施形態で図面を伴って詳細に説明する。

渦発生容器を備えるアセンブリの破断立面図。 一連の渦発生装置を備えるアセンブリの立面図。 図１の容器の断面図。 図１及び図２のアセンブリ内へ流入する前の流体に第３の渦を発生させる装置を備える渦の斜視図。 ある実施形態に係る容器の力分布を概略的に示す断面図。 図１に示す一般的な容器を通過する際の流体の螺旋流れを示す概略図。 ある実施形態に係る容器の壁構成体の部分の構成体に対する力分布を示す概略図。

発明の詳細な説明

本発明について、単体のアセンブリ及び一連の容器から構成される一連のアセンブリを参照して記述する。

図１は、渦発生容器１を備えるアセンブリの破断立面図である。これは本発明の基本的態様であり、本発明は、容器内部に導入される流体を浄化する一連の容器（図２参照）から構成されている。追加の容器は、別個に又は蓄積的に（cumulatively）流体を浄化する。図３に示すように、容器１は、入口５を介して流体４が導入される内部空間３１を有する。流体４は、ポンプ６（図２参照）の作動により入口５を介して導入される。流体４は、流体４を回転させて加速させる力学的スパイラル（mechanical spiral）（図４参照）により、入口５内へ加速されてもよい。これにより、容器１内へ流入する際に渦が発生する。流体流４が容器内へ導入される際、流体は構成体（formations）８，９，１０に衝突し、構成体８，９，１０の幾何学的特徴により流体４内に局部渦（local vortices）が発生する。局部渦は入口渦に蓄積され、複数の蓄積渦（cumulative vortices）が形成される。また、さらなる渦スパイラル１１が容器内で発生し、渦スパイラル１１は容器の長手方向に沿って移動する。これにより、入口５と容器１の頂上部又は頂上近傍の出口１７の間で、３つの渦形成段階（phases）が存在する。

構成体８，９，１０の曲面は流体の流れに対して垂直に調整されることが好ましく、(図３に示すように、)構成体に衝突する流体を流体の流れ方向に向けて曲げて戻す。流体の前進性遠心流れのライン（line）では、同様に調整された構成体により蓄積される前進渦が発生し、次の構成体に衝突した際に前進渦は大きくなる（multiplied）。局部渦は、図１に示す初期渦１１により、大きくなる（enhanced）。また図１から、上昇渦１１は、流体速度が速くなるにつれて大きくなり、容器１の頂上に向かって径が広がる略円錐状のファンネル（funnel）を形成する。

図２は、一連の渦発生装置／容器１，２，３を備えるアセンブリ１３を示す立面図である。アセンブリ１３は、容器１に供給する供給パイプ５を備える。

容器２，３は、それぞれ出口パイプ１５，１６により供給される。それぞれの容器１，２は、それぞれ出口孔１７，１８を介して出口パイプ６，７を備える。容器３では、孔１９から流出する。それぞれの容器１，２，３は図１の容器１と同様の機能を有し、それぞれの容器で２つ又は３つの渦が発生する。

最初の装置１と最終ステージの装置３との間を連通する連結パイプは、フレキシブルホースであることが好ましい。これにより、流れの方向を変化させ、流量損失が発生するL字継手（elbows）の使用が防止される。フレキシブルホースは、流体流れに対して最小限の抵抗を維持する。図２で示す配置は複数ステージの渦アセンブリであり、渦容器が連続して連結されている。導入される流体に合成渦を発生させる障害物を備える容器の代わりに、平面壁を備えるシリンダを用いて解離性粒子を沈殿させてもよい。容器への入口は底部の上方の適切な高さに設置され、流れの方向が容器の頂上部の出口まで上方向であるため、液溜め（sump）が形成される。それぞれの容器の底部の液溜め内での流体の結果体積（resulting volume）は、上昇渦の乱流から解放され、沈殿する粒子３５（図１参照）が容器の底部の端部キャップの中央に位置する排液管２３，２４，２５を通って取り除かれる。代用の容器では、有効なフィルタリング、洗浄水の再活性化（revitalising）、灰色領域の水の再生及び淡水化される海水の前処理に効果的である。

図２は、連続して配置されるシリンダ装置１，２，３を備える３ステージ渦システムの一例を示し、第１のステージ１の出口１７を第２のステージの入口１５に連結するパイプ６を備え、第２のステージからの出口１８が第３のステージの入口７にパイプで連結されている。流体はポンプ６により一連のシステムを通って汲み出される。入口１４は、ポンプ６から第1のステージ１へ流体を供給する。それぞれのステージ１，２，３の入口孔１４，１５，１６は、底部端部キャップ２０，２４，２５の上方の適切な高さに設置され、流体から沈む（settling）沈下粒子物質を受けるそれぞれの端部キャップ内に液溜めが形成される。

さらにアセンブリ１３のステージ１，２，３は、それぞれの接線方向の正接入口１４，１５，１６により流体を同一の方向に保つように配置される正接出口１７，１８，１９をそれぞれ備える。底部端部キャップ２０，２１，２２は、多岐管内に配置される出口２３，２４，２５を有し、共通パイプ２６により制御弁又は水栓２７を通して沈殿物の周期的な排液が行われる。

図３は、対応部分に対応符号を付した図１の容器の断面図である。図３では、頂上蓋２８を取り外した容器１を示す。

図３に示すように、容器１は、入口５を介して流体４が導入される内部空間３１を有する。流体４は、流体４を回転させて加速させる力学的スパイラル（mechanical spiral）（図４参照）により、入口５内へ加速されてもよい。これにより、容器内へ入る際に渦が発生する。流体流４が容器内へ導入される際、流体は構成体８，９，１０に衝突し、構成体８，９，１０の幾何学的特徴により流体４に局部渦が発生する。渦スパイラル１１が容器の長手方向に沿って移動するとともに、前述したように、局部渦は入口渦に蓄積され、複数の蓄積渦が形成される。図３に示すように、構成体８，９，１０の曲面は流体の流れに対して垂直に調整されることが好ましく、１２０°間隔を空けて配置されることが好ましい。これにより、構成体８，９，１０に衝突する流体を流体の流れ方向に向けて曲げて戻す。構成体の配置は最適に蓄積渦が発生する実施形態はこれに限るものではなく、当業者に明らかなように、後に起こる旋回（convolutions）が前の構成体から発生した増加渦に合成されるように、構成体の位置及び鉛直調整が変形例として行われてもよく、孔３３を介して流入する圧縮空気３３により大きくしてもよい。流体の前進性遠心流れのラインでは、同様に調整された構成体により加速するための前進渦が発生し、次の構成体に衝突した際に前進渦は大きくなる。

圧縮空気３２は正接入口孔３３を通って円柱状の容器１に流入し、蓄積渦に加速が加えられることにより、乱流を発生させる。圧縮空気が流体の流れと同一方向に流れるため、空気圧力により構成体により発生する蓄積渦が大きくなる。

図４は、入口１４，１５，１６に任意に導入される渦発生装置１２（螺旋スパイラルインサート（helical spiral insert））を示す斜視図である。装置１２は、図１及び図２のアセンブリ内へ流入する前の流体に、第３の渦を発生させる。図４に示すように、装置１２は、一部省略して示される入口ライン５内へ導入される螺旋スパイラスを備える。螺旋スパイラルは引出し線３４により接続チューブ内へ導入されてもよい。螺旋インサートはモールド成形される（moulded）ことが好ましく、流れの方向がインサートの長手軸に平行であることを除き、容器の内側壁の構成体と同一又は同様の幾何学的特徴を有すればよい。いったん流体が容器に流入すると、流れは容器の内側壁の構成体の表面に垂直な角度（attitude）で衝突することが好ましい。構成体への衝突により、複数ステージ渦システムの全体を通してスパイラル渦流れが発生する。図４のモールド成形される螺旋インサート１２の部分（section）の一般的な（これに限るものではない）高さ又は幅は、内部に螺旋インサートが配置されるフレキシブルチューブの内径の１／８又は１／６であり、ホースを通して水／流体の流れにスパイラル状態を発生させる。モールド成形される螺旋インサート１２は、ナイロン等のプラスチックから形成されることが好ましく、様々なステージの連結に用いられるチューブ、及び、リード側及び戻り側の供給チューブ（lead and return supply tube）の内径と比べ周縁が大きめのサイズである（marginally oversized）ことが好ましい。ナイロン製螺旋インサートは、引出しワイヤにより、適切に配置するために径を十分に小さくした状態でチューブ内へ引出され、適切な位置の際に供給パイプの内側壁との干渉（engagement）位置を保持するためにインサート１２は拡径する。水／流体があるステージから別のステージへ移動する際、ラインのフレキシブルチューブを通るモールド成形される渦スパイラル１２により複数ステージシステムでの速度の損失が防止される。インサートの放物線形状によりチューブを通して水／流体をスピンさせ、ラインの圧力により流体がチューブに沿って長手方向に移動する際に径が減少しながら流体スパイラルの分子が中央に向かうため、チューブの中央での速度が増加する。連結チューブのこの特徴は、複数渦システムの全体効率に影響を与える。L字継手を用いない場合、方向を変えるために流体が直角面に突き当たることはなく、複数ステージシステム内でこれが繰り返されるため、増大（enhancement）は２倍となる。第２に、中央に向かって速度が増加する状態で、複数渦システムのあるステージから別のステージへ移動する流体の渦スパイラル速度から、粒子の運動エネルギーは、流れの径が減少するにつれて増加する速度の２乗に比例して増加する。速度が加速されるため、実際の運動エネルギーからの圧縮力はチューブ内の中央流れラインで無限大に近くなる。このことは、一例を参照して説明する。粒子又は分子の集団（cluster）の運動エネルギーについて、径が１００ｍｍ[D]のシリンダを用いて説明する。一定の質量を[M]とすると、公式はKE＝１／２M×V×Vとなる。流体の圧力が一定の状態で渦の径が向心中心（centripetal centre）、すなわち１ｍｍに近くなるために、速度が加速される場合を考えると、D／ｄが１００対１であるため、１ｍｍ[ｄ]中心での速度はシリンダ壁の周縁での速度の１００倍となる。周縁での速度を１０ｍ／secとすると、中心での速度は１００ｍ／secとなり、両方を２乗すると１００と１００００のKEの要素となり、その極限は無限大に近くなる。

また、渦システムでの向心圧力が増加するため、この特徴により微生物に適さない環境（hostile environment）が保持される。図４に示す螺旋渦インサートでは、存在するチューブの内側に螺旋を挿入する配置及び方法が示されている。スパイラルが延設されるにつれて、スプリング（spring）の半径が減少し、モールド成形されるスプリングインサートの外径はチューブの内径よりも大きい箇所では、引出しワイヤが取り除かれた際のスプリングの位置が保持される。

図５aは、ある実施形態に係る容器の力分布を概略的に示す断面図である。容器４０は、水流４２を容器４０に供給する入口４１を備える。水流４２は、速度と入口４１の断面積との関係で規定される所定の流量で、容器４０の内側壁４３に対して正接に向けられる。水流４２は局部渦４５を発生させる構成体４４に衝突し、局部渦４５により油溶性固体、そして、これに限るものではないが塩素、塩化物等のその他の汚染要素を含む汚染物が減少する。

図５ｂは、図１に示すような一般的な容器を通過する際の、流体の螺旋流れを示す概略図である。図６は、ある実施形態に係る容器の壁構成体の部分の構成体４４に対する力分布を示している。

本発明のアセンブリのある適用例（application）では、冷却塔内で用いられるネットワーク配送される（reticulated）水システムで、物質の気泡空洞（cavitation）を発生させるイオン化傾向の増加を引き起こす。本発明では蓄積渦の相当な増加が発生し、酸素、水素及びこれらのイオン化合物を高い割合で提供する無数の小渦を発生させるため、流体溶液内で病原菌をより完全に死滅させる。本発明の装置及び方法では、水貯蔵において化学薬品（chemicals）の連続的使用に使用すること、及び、自治体（councils）及び産業でシステムが再使用され、スライム（slime）及びその他の毒性が増加することが防止される。本発明によりネットワーク配送される水に提供される浄化では、化学薬品を加える必要がないため、処理された水の化学濃厚物（chemical concentrates）の周期的な排液を行う際の汚染の主要因がなくなる。ここで記述する本発明では化学薬品が用いられないため、形成され得る化学スライムと藻類（algae）との合成物（resultant）が形成されない。したがって、カルサイトの凝固形態での炭酸カルシウムの露出生成（exposed build up）が、空洞現象を通してアルゴナイトの超微粉状態（micronised state）まで縮小され、取り除かれる。

本発明は、渦システムの効率を実質的に増加させる２つの主機能を採用している。第１にアセンブリは、（シリンダ壁の内側に固定される）構成体又は障害物により大きくなる小渦の蓄積が発生するように配置され、構成体又は障害物は、流体内のスパイラル渦を渦シリンダの周縁で流体の回転方向に対して後方向へスピンさせる形状となっている。突出する障害物の一般的な形状は、これに限るものではないが慣用的な波動作と同様である。構成体／障害物の適切な幅は、入口チューブ、すなわち渦シリンダの径から規定され、突起の高さは障害物の幅の半分であることが有効である。

それぞれの入口パイプの径と容器内で流体流が衝突する構成体の好ましいサイズとの間には、関係がある。例えば、２２ミリメートルの流入パイプでは、構成体は、２２ミリメートルの幅で、１１ミリメートルの高さで、底部で２０ミリメートルの厚さとなる。ある実施形態に係る構成体は、スパイラル状に１２０°離れて適切に配置され、容器１内の流体渦１１の前進流れと同一の方向に螺旋状に間隔を空けて配置される。構成体は図３に示すような内側が曲面の幾何学的特徴を有することが好ましく、接近する流体の流れ方向に向かい合っていて、流体が来る方向に流体を曲げる。これにより、蓄積され、大きくなり、合成される（compounded）真空バブル（vacuum bubbles）の集合体が発生し、集合体は用いられる構成体／障害物の数及び加速の際の流体の速度に比例し増加する。

主渦１１はスパイラルハリケーン風に類似し、渦強度を増加させる。ある実施形態では、流体による渦の形成は流体入口と同様の正接入口を介して渦容器内へ汲み出される圧縮空気により補助され、正接入口の適切な高さは流体入口孔より上側であるが、最初に衝突する構成体の高さより下側である。圧縮空気は、渦を発生させる上昇流体と同一の流れ方向で導入される。一般的な操作で渦と圧縮空気の組み合わせることにより、発生した乱流の上方で上昇する（rising）渦コーン（cones）がより明確になる。代わりとして本発明では、移動インペラを用いた周知の装置及びシステムにより、渦を加速してもよい。

主渦１１及び副渦は、容器の設計及び高さ、流体の流入角度及び入口チューブの径、流体圧及び流入速度、圧縮空気の適用、周縁部の内側構成体の設計及び配置等の変数を有する設計パラメータと関連する。上述した配置のある適用例では、処理される水が汲み出される際に水の浄化が行われ、水は上述のように複数ステージ渦システム内へ正接入口及び出口を介して汲み出され、適切な流入及び流出パラメータのチャンバ内へ適切な圧力及び速度で汲み出され、構成体は副渦を発生させるように配置されている。乱流及び水の運動量により、反対方向の向心力及び遠心力が発生し、それぞれ径方向について反対方向に作用する。水が渦の中心に引き込まれ、反対に容器／コンテナの内側壁では周縁部へ引出されると、水分子がせん断力を受ける領域（zone）が発達する。

上述したように発生する媒体は微生物には適さず、ポンプ及び空気調整システムのような冷却のために汲み出されたネットワーク配送される水が必要なその他の装置内では、スライム及びスケール（scale）が分離されることが、実験で示されている。

別の実用的な適用例として、示したような複数渦システムを通して水を連続的又は断続的に循環される水産養殖及び魚タンクがある。この適用例では、タンク内の水面より下側に流入される排水パイプから来る魚は、発生する乱流の内側及び外側を泳ぐことが観察されている。複数渦システムによる水の浄化により、魚及び藻類からの排出物はなくなり、タンク内での菌類及び微生物の増殖という問題が縮小され、又は、なくなる。この特徴は、タンク内へ圧縮空気のみが導入される同様の実施例では発生しない。この過程は、淡水化のための前処理ステージで、海水を軟水化することについて費用効果が良い。海水を予め軟水化することの利点として、重要なことに淡水化プラント（plant）を駆動するために必要なパワーが削減され、逆浸透チャンバを加圧するために必要な化石燃料から発生するパワーを削減するための炭素クレジット（carbon credits）が得られる。

本発明に従って組み立てられる渦システムから再活性化した水は、家畜、農業、水栽培、水産養殖、酪農牛からの乳製造、薬品なしの（chemical free）冷却塔の水のネットワーク配送、自治体の水の再使用、家庭内の温泉、バス、シャワーに即時に適用される。

連続して連結される渦シリンダの複数セットで小渦が合成増幅（compound multiplication）されるため、水の軟水化及び再活性化は増幅される。流体を曲げるために配置される構成体８，９，１０に対して力を受けるため、小渦はスパイラル液体内で遠心力によって合成される。

ある実施形態では、図２に示すように３つの渦シリンダが連続していて、第1のシリンダはシリンダの内側壁の流体の螺旋上昇動作のラインに位置する構成体を備える。これにより小渦が繰り返し追加の渦に合成される。過程は、小渦の流れを加速する前述のような孔３３を通って流入する圧縮空気を伴ってかく乱される（agitated）。一連のステージは、大きい粒子を沈殿させるために、第1のステージのように水又は流体は低速度渦を有し、流体は低速動作で回転する。高速で導入される次のステージでは、より細かい粒子が分離により生じる。障害物及び導入される圧縮空気のない次のステージでは、イオン化合成がより大きな構成体により小さい乱流の流体内で分離が行われる。

流体処理の間、シリンダの底部の上方に適切に位置する入口孔の近傍に形成される液溜めへの粒子の沈殿を補助するため、アセンブリは重力を用いる。流体が容器の底部端に正接に流入するため、流体の螺旋上方向流れは頂上の出口まで上昇する。入口孔が高いほど、液溜めは深く、‘穏やかな状態’での動作は観察され難くなり、液溜めの底部に向けて重力を受けると粒子は集められる。

pH、渦水の温度、電解レベル、システム内の水の速度を含む様々なパラメータのためのセンサからの読取り量を受け取り、保持するデータロガー（Data logger）が適用されている。pH及び電解量はさび及び腐食の制御を示すため重要である。データロガーは、eメールによりモニタ又は携帯電話に送信可能な必要な情報を蓄える。これにより、操作の所定の期間を通してシステムの性能値（performance date）のコンバイルが行われる。

以下の表１では、海水の未処理サンプルと本発明の容器アセンブリで処理後の結果との間の一連の比較結果を陳列している。

上記表は、本発明に係る装置を通して処置された後の海水のサンプルの処理結果を提供する。結果から多くの（限定的なものではないが）考察がされる。処理されたサンプル水の処理容器内への導入時の圧力に関係なく、pHは制御サンプルpHから大きく変化しない。処理された水は、容器内へまず６０psi(４２１８４．２ｋｇｆ／ｍ^２)の流量圧力で導入される。これは、まず８０psi(５６２４５．６ｋｇｆ／ｍ^２)に増加し、その後５０psi(３５１５３．５ｋｇｆ／ｍ^２)に下がる。溶液の導電率（conductivity）は、圧力に関係なく５１０．７から６１８．７の範囲内である。しかし、試験前のサンプル（処理前の計測）と比較すると、処理されたサンプルの導電率は、処理容器内への水の導入圧力に関係なく、試験前の制御サンプルの計測された導電率の半分より小さい。サンプル及び処理された水の両方で計測された温度は、１９．６７〜２３．４８の範囲内であり、処理後と処理前でほとんど変化しないことを示している。処理前の制御サンプルと比較して、処理後のサンプルの全溶解固体は、処理前のサンプルの計測された全溶解固体の約３０％である。処理後のサンプルの塩化物レベルは、処理前のサンプルの計測されたレベルの約３０％である。レベルは、水の導入圧に対して大きく変化しない。

以下の表１では、淡水の未処理サンプルと本発明の容器アセンブリで処理後の結果との間の一連の比較結果を陳列している。

上記表は、本発明に係る装置を通して処置された後の淡水の水道水のサンプルの処理結果を提供する。結果から多くの（限定的なものではないが）考察がされる。処理されたサンプル水の処理容器内への導入時の圧力に関係なく、そして、導入された水が空気圧により補助されているかに関係なく、pHは制御サンプルpHから大きく変化しない。処理された水は、容器内へまず３０psi(２１０９２．１ｋｇｆ／ｍ^２)の流量圧力で空気補助のない状態で導入される。処理後のサンプルの導電率は、処理前のサンプルから大きく変化しない。溶液の導電率は、圧力に関係なく１４９．５〜２２５．３の範囲内である。３５psi(２４６０７．４５ｋｇｆ／ｍ^２)で空気補助のない状態で、処理後のサンプルの計測された温度、全溶解固体、塩化物が、処理前のサンプルと比較してほとんど変化しない。３５psiで空気噴射される状態では、処理後のサンプルの導電率（溶液の電解量の減少を示す）、全溶解固体、塩化物、酸化還元電位（ORP）のパラメータの大きな減少に伴って、導電率が大きく低下する。水噴射が同一の圧力でのこのサンプルで空気噴射を取り除いた際には、パラメータの値は、最初の空気のない３５psiの試験で記録した空気噴射のない値に戻る。６０psiで空気噴射のない状態では、３５psiで空気噴射のない状態での値と同様である。６０psiで空気噴射される状態では、処理後のサンプルの導電率（溶液の電解量の減少を示す）、全溶解固体、塩化物、酸化還元電位のパラメータが大きく減少する。水噴射が同一の圧力でのこのサンプルで空気噴射を取り除いた際には、パラメータの値は、最初の空気のない６０psiのテストで記録した空気噴射のない値に戻る。８０psiで空気噴射のない状態では、処理後のサンプルの導電率（溶液の電解量の減少を示す）、全溶解固体、塩化物、酸化還元電位のパラメータが減少する。すなわち、浄化される水流の入口圧力の上昇した際、及び、空気噴射される状態で入口圧力が減少した際に、浄化が改善される。

これは、まず８０psiに増加した後、５０psiに減少することである。サンプル及び処理された水の両方で計測された温度は、１９．６７〜２３．４８の範囲内であり、処理後と処理前でほとんど変化しないことを示している。処理前の制御サンプルと比較して、処理後のサンプルの全溶解固体は、処理前のサンプルの計測された全溶解固体の約３０％である。処理後のサンプルの塩化物レベルは、処理前のサンプルの計測されたレベルの約３０％である。レベルは、水の導入圧に対して大きく変化しない。

発明の趣旨及び範囲内で、広く本発明の変形例が当業者により行われることは、もちろんである。

Claims (46)

1. 水流の浄化処理を行うための装置において、
   内部空間の範囲を規定する頂上部、底部、壁と、水源からの水流を内部に配送する入口と、前記水を流出する出口とを有する容器と、
   前記水流を前記容器の内部へ所定の流量で配送する手段と、
   を備え、
   前記容器は、前記水流に主渦スパイラルを発生させる内部形状を有し、
   前記容器は、少なくとも１つの補助液圧スパイラルを発生させるために、前記流体流と干渉する少なくとも１つの構成体を備え、
   前記主スパイラル及び前記少なくとも１つの補助液圧スパイラルは、前記水流から汚染物質を少なくとも部分的に分離するために協働で操作を行い、前記出口を介して前記容器から流出する前記水を前記容器に流入する前記水より清浄にする装置。
2. 前記容器への前記入口は、前記容器の前記壁に位置する請求項１の装置。
3. 前記水流を所定の流量で配送する前記手段は、入口配送ラインで前記水と干渉するポンプである請求項２の装置。
4. 前記容器は曲壁を有する請求項３の装置。
5. 前記入口は、前記容器の前記底部又は前記底部の近傍に位置する請求項４の装置。
6. 前記入口は、前記水を前記容器の前記壁に対して正接に配送するように配置される請求項５の装置。
7. 前記入口は、前記水が上方向に配送されるように傾斜している請求項６の装置。
8. 前記少なくとも１つの構成体は、前記容器の前記壁の内部表面に位置する請求項７の装置。
9. 前記構成体は、前記容器の前記壁と一体である請求項８の装置。
10. 複数の構成体が、前記容器の前記壁周りに間隔を空けて配置される請求項の装置。
11. 前記容器の前記壁は円柱形状である請求項１０の装置。
12. 前記構成体は、前記容器の内側表面の周縁周りに間隔を空けて配置される請求項１１の装置。
13. 第1の構成体は前記容器内の第1の高度に位置し、少なくとも第２の構成体はより高い高度に位置する請求項１２の装置。
14. 前記構成体は、前記主スパイラルの前記水の経路に位置する請求項１３の装置。
15. 前記構成体は、協働して螺旋渦を形成するように配置される請求項１４の装置。
16. 前記構成体は、前記内側表面周りに等間隔だけ間隔を空けて配置される請求項１５の装置。
17. 構成体は、前記容器の前記壁と一体である請求項１６の装置。
18. 前記構成体は、前記主スパイラルの経路に補助スパイラルを発生させる請求項１７の装置。
19. 前記主スパイラルは、徐々に上方向に向かう螺旋を規定する請求項１８の装置。
20. 前記第1の出口が、前記容器の前記頂上部又は前記頂上部の近傍に位置する請求項１９の装置。
21. 前記第1の出口が、水浄化処理が可能な少なくとも１つのその他の容器と連通している請求項２０の装置。
22. 前記水流は海水である請求項２１の装置。
23. 前記処理により、前記海水から汚染物が取り除かれる請求項２２の装置。
24. 前記容器は、汚染物を集める溜めを備え、
    汚染物は水流から前記溜めへ重力を受ける請求項２３の装置。
25. さらに前記容器は、前記水流から分離した汚染物を流出する第２の出口を備える請求項２４の装置。
26. 前記容器への入口は、１０から５０ｍｍの範囲内の径を有する請求項２５の装置。
27. 前記円柱形状の容器は、１００ｍｍから１ｍの範囲内の径を有する請求項２６の装置。
28. 前記構成体の少なくとも１つは、前記容器の内側表面から計測して、前記入口の前記径の略半分の高さを有する請求項２７の装置。
29. 前記少なくとも１つの構成体は、前記容器の長手方向軸と平行な方向に計測して。前記入口の前記径と同一又は略同一の幅を有する請求項２８の装置。
30. 複数の容器を備える装置を具備する汚染水を浄化するためのシステムにおいて、
    それぞれの前記容器は、内部空間の範囲を規定する頂上部、底部、壁と、水源からの水流を前記容器の内部に配送する入口と、出口とを有し、
    前記水流を前記容器の内部へ所定の流量で配送する手段を備え、
    前記容器は、前記水流に主渦スパイラルを発生させる内部形状を有し、
    前記容器は、少なくとも１つの補助液圧スパイラルを発生させるために、前記流体流と干渉する少なくとも１つの構成体を備え、
    前記主スパイラル及び前記少なくとも１つの補助液圧スパイラルは、前記水流から汚染物質を少なくとも部分的に分離するために協働で操作を行い、前記出口を介してそれぞれの前記複数の容器から流出する前記水をそれぞれの前記容器に流入する前記水より清浄にするシステム。
31. それぞれの前記容器が、少なくとも１つのその他の容器と連通している請求項３０のシステム。
32. ある容器の前記出口が、隣接する容器の入口と流体連通している請求項３１のシステム。
33. それぞれのタンクの底部溜めの第２の出口は、システムからの廃棄物を取り除く流出ラインに接続されている請求項３２のシステム。
34. 容器は、連続して、相対的に同一の高さに配置される請求項３３のシステム。
35. 前記流出ラインは弁により操作される請求項３４のシステム。
36. それぞれの容器は円柱形状である請求項３５のシステム。
37. 前記システムは淡水化プラントのための前処理を行う請求項３６のシステム。
38. 前記流体流は、所定の角度で、前記流体に前記主渦を発生させる流量で導入される請求項３７のシステム。
39. 前記水は、それぞれの前記容器へ流入する前に、第３の渦スパイラルが発生した状態で、ぞれぞれの前記容器に導入される請求項３８のシステム。
40. 前記構成体は、前記補助渦スパイラルを発生させるように前記水流を協働的に操作する幾何学的特徴を有する請求項３９のシステム。
41. 前記渦での粒状物が、重力によりそれぞれの前記容器の底部の液溜めに沈殿する請求項４０のシステム。
42. 前記液溜めは、前記入口の近傍に、前記容器の前記底部から所定の距離だけ上方に形成される請求項４１のシステム。
43. 前記水は、前記容器に上方向にかつ正接方向に導入される請求項４２のシステム。
44. 前記主渦スパイラルは、前記入口又は前記入口近傍で発生し、螺旋により出口まで延設される請求項４３のシステム。
45. 前記構成体はそれぞれ、流れの前記ラインに垂直に配置される曲面を有し、それぞれが前記補助渦を発生させる請求項４３のシステム。
46. 流体供給ラインを介して間で流体連通される一連の容器を備える水浄化のためのアセンブリにおいて、
    流体が前記容器の内側壁に衝突することによって、複数の協働に操作を行う渦を発生させるようにアセンブリが配置することにより、上昇流体流れが流体流れの方向に曲がって戻り、局部渦が発生し、
    前記容器から流出する水は前記容器に流入する水より清浄であるアセンブリ。

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