JP2020514671A - 液体を加熱及び浄化するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

流体キャビテーション装置が、ハウジングと、その外表面にキャビテーション孔を有する外側ロータと、外側ロータを回転させるためのモータとを含む。ハウジングの内表面が外側ロータの外表面から離間されて、流体キャビテーション・ゾーンを作り出す。ハウジングの内表面は、加熱、冷却、及び浄化のために、流体の熱伝達特性を高めるための螺旋形状及びトンネル・ゾーンを有して構成される。キャビテーションプロセスを強化するために適切なモータ速度及び流体挙動を促進するための制御システム。

Description

本発明は、加熱又は冷却された液体を生成するキャビテーション設備であって、少なくとも１つの機関と、ハウスと、加熱すべき液体と、加熱すべき液体内で回転し且つ外部機関によって駆動される多孔性体とを含むキャビテーション設備に関する。

水などの液体内に熱を生じさせるキャビテーション現象は、当技術分野でよく知られている。

加熱された液体を生成するために回転体を使用するキャビテーション・システムの実例が、Ｊａｃｏｂｓへの米国特許第３，７２０，３７２号で提示されている。熱を生じさせるためにキャビテーション現象を使用する他の特許された解決策は、特に米国において１９５０年代に開発された。よく知られた特許は、Ｐｅｒｋｉｎｓへの米国特許第４，４２４，７９７号である。この特許は、Ｓｍｉｔｈへの米国特許第２，６８３，４４８号で説明されている解決策を発展させた最先端のバージョンである。同じくＰｅｒｋｉｎｓへの米国特許第４，７７９，５７５号でも改善点が開示されている。

キャビテーショナル・デバイス（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ）はまた、Ｇｒｉｇｇｓへの米国特許第５，１８８，０９０号及び第５，３８５，２９８号で説明されている。これらのデバイスでは、デバイスのハウジングに円筒体が入れられ、クロークがキャビテーショナル孔（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｂｏｒｅ）を備える。加熱すべき液体は、キャビテーショナル孔を有する回転体とハウジングの内部クロークとの間の円筒状の自由空間に入れられる。キャビテーショナル体が回転している間、液体の温度及び圧力が上昇する。Ｇｒｉｇｇｓ特許は、それら全体が参照により本明細書に組み込まれる。

Ｇｉｅｂｅｌｅｒへの米国特許第６，１６４，２７４号、Ｓｅｌｉｖａｎｏｖへの米国特許第６，２２７，１９３号、及び露国特許第２，２６２，６４４号では、他のキャビテーション・デバイスが開示されている。キャビテーションの観点からの別の手法が、Ｈａｒｒｉｓへの米国特許出願公開第２０１０／０１５４７７２号で示されている。この手法では、回転ロータ及びハウジングの内部クロークの螺旋状ループが、ロータの回転の間に、一緒にキャビテーションによる熱生成をもたらす。Ｆａｂｉａｎの特許である国際公開第２０１２／１６４３２２号Ａ１は、同様のキャビテーション装置を教示している。

上記の従来技術のシステムは、主としてそれらの概念が２次元的なプロセスとしてキャビテーションプロセスに対処することに起因して、効率的でないこと及び騒音を発生させることを含めた複数の欠点を有する。本発明の１つの狙いは、知られた解決策の欠点及びキャビテーション・デバイスにおける有害なキャビテーショナル効果を排除すること、キャビテーションプロセス内への破壊的な力を排除すること、効率を高めること、並びに３次元ベクトルの手法を通じてキャビテーション騒音を減少させることである。

米国特許第３，７２０，３７２号 米国特許第４，４２４，７９７号 米国特許第２，６８３，４４８号 米国特許第４，７７９，５７５号 米国特許第５，１８８，０９０号 米国特許第５，３８５，２９８号 米国特許第６，１６４，２７４号 米国特許第６，２２７，１９３号 露国特許第２，２６２，６４４号 米国特許出願公開第２０１０／０１５４７７２号 国際公開第２０１２／１６４３２２号Ａ１

本発明の１つの目的は、少なくとも１つの機関（ｅｎｇｉｎｅ）と、ハウジングと、加熱すべき液体と、液体内で回転し且つ機関によって駆動される１つ又は複数の多孔性キャビテーション体とを含む、流体浄化に十分な加熱された液体と熱伝達の代替的方法とをもたらすキャビテーション装置である。本発明は、設備の動作のための手順を含む。本発明による解決策は、浄水、ＨＶＡＣ用途、及び熱伝達を必要とする他の類似の処理のために、他の点では有害且つ壊食的なキャビテーションの特徴を有利に排除すると同時に、生成されたキャビテーション気泡を使用して、主に水である液体の熱的状態を変化させる。

より具体的には、本発明は、狭窄構造（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｎｇ ｆｏｒｍ）がハウジングに導入されることを特徴とし、この狭窄構造は、キャビテーション・ステップ、方向性バンパ及び跳ね返りバンパ、並びに狭窄構造とキャビテーション体（２）との間の加熱すべき流体のための自由狭窄漏斗（ｆｒｅｅ ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｎｇ ｆｕｎｎｅｌ）を含んで、プロセスの完全性に重要な形成されたキャビテーション気泡の速度及び方向の制御、並びにキャビテーションプロセスに関連する破壊的な力の減少／排除を可能にする。キャビテーション・システム全体の複合的な構成要素が、騒音減少及び処理効率を強化するので、キャビテーション設備の使用のための方法もまた、本発明の一部を形成する。

本発明の１つの実施例の分解組立斜視図である。 詳細を示すために一部分が切り取られた図１の装置の頂部の図である。 図２の線ＩＩＩに沿った断面図である。 図３における断面図の拡大した部分の図である。 図４の一部分のさらに拡大した図である。 モータ速度に対する吐出位置及びキャビテーション孔の位置、並びに計算された吐出時の流体速度を標準的な２次元の様式で示す図である。 キャビテーション・ヘッド内の典型的な円筒状流体経路を第３の次元で示す図である。 キャビテーション孔への流体の一様な吐出速度を提供するためのバンパの互いに対する全体的な配置を３次元で示す図である。 吐出トンネルの入口点における、図８の断面図である。 吐出トンネルに向かう、図８の断面図である。 キャビテーションプロセスの速度制御を必要とする温度変化とともに変化する水の物理的特性の表である。 負の破壊的な力を伴わずに制御された３次元的なキャビテーションプロセスをもたらすための全体的なシステム要件の図である。

キャビテーション現象、及び、液体を加熱する際にそれを利用することは、従来技術でよく知られている。

キャビテーショナル真空気泡（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｖａｃｕｕｍ ｂｕｂｂｌｅ）は、主に高速度で液体が流れる領域において、液体のうちより低圧の部分内で作り出される。この現象は、主要なポンプ、及び船用プロペラ又は水タービンの付近でよく起こるものであり、回転するプロペラ及び影響を受ける全ての材料の表面を広範囲にわたって壊食する場合がある。

この現象は、振動、及びノックするような騒音を伴い、それにより、流れの形が歪められ、関連する機関の効率が低下する。プロペラ又はタービン羽根を作った材料に関係なく、キャビテーションは、最も硬い合金であろうと文字通りに食いちぎって表面に微小な穴及び空洞を作り出すことにより、それぞれの表面を壊食する。キャビテーションとは、空洞（キャビティ）の生成を意味するので、この現象の名前は、これを起源とするものである。上記の理由から、キャビテーションは通常、排除すべき現象である。

キャビテーショナル真空気泡は、一般に小さく、ほんの数ミリメートルの大きさであり、また、気泡は、高速度の液体流における圧力の急激な低下により、液体の分子間に生成される。気泡は、高圧領域に入ったときに崩壊し、又は、高圧液体の圧力が突然に降下した場合に破裂して、液滴により空間を一様に満たす。液滴及び液滴分子間に小さな空洞が作り出されて、真空気泡を文字通りに作り出す。そのような真空気泡のその後の崩壊は、低い崩壊音及び光の放射を伴う。多量の液体分子の崩壊は、亀裂、縦揺れ、及びゴロゴロいう騒音を発生させる。気泡が崩壊するとき、かなりの熱及び光エネルギーの形で気泡内に蓄えられていたエネルギーが解放される。エネルギーは、様々な周波数で拡散して、付近の分子によって吸収され、それにより、それらの温度が上昇する。言い換えれば、得られる気体は、飽和気体のより高い温度及び圧力が分子付着を破壊する状態に達し、気泡は、突然に分裂することになる。得られる高温は、周囲の流体分子によって吸収され、したがって、流体が加熱される。キャビテーションプロセス中に生じた熱は、いかなる細菌、ウイルス、重金属、及び他の汚染物をも流体から除去するのに十分であり、したがって、さらなる浄化の便益が提供される。実際上、浄化された流体は、３次元的なキャビテーションプロセスを制御するのに最適である。

繰り返すが、液体を加熱するためにこの現象を利用することは、何年も前から知られている。しかし、液体を加熱するために（例えば電気エンジンによって動かされる回転体を使用することにより）キャビテーションを生じさせることは、電力を直接使用することにより液体を加熱することに比べて間接的により高額になってきた。また一方では、他の経済的な動力源（例えばタービン機関、ガソリン機関、又はディーゼル機関等）が何らかの方法で利用可能であるならば、状況は異なる。そのような動力源を使用することにより、浄化及び加熱された液体が、直接作り出され得る。

閉じたシステム内で流体を選択した高速度で循環させて、狭まっているチャネルを通過させる、上記のＧｒｉｇｇｓ特許で示されているようなシステムでは、流体は、拡大しているセクション（キャビテーション孔）内に突然に導入され、キャビテーションを引き起こすために必要な減圧が起こる。

キャビテーションは、一般に、その破壊的な特性、過度の熱発生、高い吐出圧力、及び騒音に起因して、有害な現象である。しかし、本発明は、回転キャビテーショナル体（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｂｏｄｙ）と回転キャビテーショナル体を収容するハウジングの内部表面との間に、また場合により回転キャビテーショナル体の内部表面と２次的な固定された（静止）ロータ・ヘッドとの間に狭窄部又は障害物を設置することにより、改善されたキャビテーショナル装置を作ることができるという理解に基づく。この場合、真空気泡が連続的に破裂することが確実になる。障害物又は狭窄部を含むハウジングの内部を設計することにより、加熱すべき液体が、破裂の際に孔内の真空気泡を包囲し、キャビテーションによる騒音を減少させることができ、キャビテーションの有害作用を軽減又は排除することができる。

本発明は、１つの態様では、少なくとも１つの機関と、ハウジングと、加熱すべき液体、加熱すべき液体内で回転し且つ機関によって駆動される回転キャビテーション体（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｂｏｄｙ）とを含む、加熱及び浄化された液体を作り出すキャビテーション装置である。機関は、電気機関であってよいが、蒸気機関若しくは内燃機関、又はタービンの回転シャフトもまた、キャビテーション設備を駆動するために使用され得る。固定されたロータ・ヘッドが、回転キャビテーション体の内側に配置されて、第２の液体加熱ゾーンを形成し得る。本発明はまた、装置の動作のための方法を含み、この方法は、大まかには、例えば水である流体をキャビテーション目的のための装置に供給することと、当技術分野において知られるように加熱された流体をその後使用することとを伴う。望ましい流体は水であるが、本装置は、要望があれば、任意の流体を加熱及び浄化するために使用され得る。

本発明の利点は、回転キャビテーション体と、存在するのであればロータ・ヘッドとに、キャビテーション孔を有することによって拡大される。回転キャビテーショナル体の場合、Ｇｒｉｇｇｓ特許に見られるように、その外部表面にキャビテーショナル孔が付けられる。孔、及び回転キャビテーショナル体と周囲のハウジングとの間のチャンバは、キャビテーショナル・フロー・ゾーン（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｚｏｎｅ）を形成する。固定されたロータ・ヘッドを使用する実施例では、ロータ・ヘッドの外部表面にも、回転キャビテーショナル体の内表面に面するようにキャビテーション孔が付けられ、よってそれは全体的にリング形状にされる。これは、回転キャビテーショナル体の内側とロータ・ヘッドとの間に追加の液体キャビテーショナル・フロー・ゾーンを作り出して、流体のキャビテーションを強化する。

本発明の１つの実施例が、図１〜１０に示されている。装置は、参照番号１０で表されており、且つ、外部モータ１を含み、この外部モータ１は、シャフト・シール７を含む直結駆動シャフト３を通じて回転キャビテーショナル体又は外側ロータ５を回転させるために使用される。シャフト３は、ハウジング９の端部８にある開口部６と、外側ロータ５にある開口部１２とを貫通して延在する。外側ロータ５は、任意の変速段数で回転されてもよく、これは、加熱されている流体の粘性に依存する。流体の最適なキャビテーションを発生させるための典型的な速度は、２５００〜４０００ｒｐｍであり、そのような速度は、Ｇｒｉｇｇｓ特許で開示されている速度に似ている。しかし、Ｇｒｉｇｇｓ特許を改良するために、また、キャビテーション孔３３、３７へ吐出されるキャビテーション気泡を３次元において正確に配置するために、モータ速度は、方向性バンパ及び跳ね返りバンパに加えて可変速度制御装置３０１を使用することにより、装置１０に対して調整される。これは、装置１０の吐出ゾーン３１、３５における流体の水平速度Ｖ_Ｘ、垂直速度Ｖ_Ｙ、及び３次速度Ｖ_Ｚを決定する正確なシャフト速度Ｓ_Ｖを生じさせるのに極めて重要である。流体は、吐出漏斗内で圧縮され、向きを付けられて、特定の速度Ｆ_Ｖで解放されるが、この特定の速度Ｆ_Ｖは、任意の特定のモータ速度において所与のキャビテーション・ヘッドを用いてキャビテーション吐出ゾーンの実際の数を決定する際に、キャビテーション・ゾーン間の物理的アーク長Ｌ_Ａ（図６）によって決定される。流体の速度Ｆ_Ｖは調整され得るので、流体分子が経路Ｌ_Ａに沿って移動するのに要する時間を判定することができ、また、吐出ゾーン３１、３５における流体の水平成分及び垂直成分を算出することができる。曲線運動水平速度は、関数Ｖ_ｘ＝ｄ_ｘ／ｄ_１として決定され、垂直速度は、関数Ｖ_ｙ＝ｄ_ｙ／ｄ_１として決定され、３次速度は、関数Ｖ_Ｚ＝ｄ_ｚ／ｄ_１として決定される。方向性バンパ及び跳ね返りバンパは、ｄ_Ｚ成分を排除することにより３次速度Ｖ_ｚをゼロにするように設計されており、したがって、ｄ_ｘ及びｄ_ｙの値を求めることにより、調整のための時間（すなわち、モータ速度）に関して、キャビテーション３３、３７の位置及び孔間の距離Ｂ_Ａを決定することができる。図６は２つのキャビテーション孔のみ示しているが、キャビテーション孔は図３に示されるように外側ロータの外周に沿って延在するはずであることが、理解されるべきである。

内部軸受を有さないロータ・ハウジング９が設けられる。内部軸受の存在は、この設計と同様にＦａｂｉａｎ特許の重大な故障モードであり、軸受は、キャビテーションプロセス中に軸受への流体の熱伝達によって直接影響を受ける。したがって、モータ１のシャフト３は、ハウジング９を貫通して延在し、且つ、片持ち梁（カンチレバー）式の構成で、回転のために外側ロータ５を支持する。モータは、シャフト３がハウジング９を貫通して延在するときに釣り合いのとれた外側ロータ５を支持するために、通常よりも長いシャフト３と、モータ内の内部軸受とを有する。ハウジング９は、外側ロータ５を受け入れる形状とされた空洞１１を形成する。従来型のシャフト・シール（図示せず）が、封止目的のためにモータ・シャフト３とハウジング９との間に位置決めされる。モータ・シャフトの片持ち梁式の配置、及びシャフト支持のためにモータに関連付けられている軸受により、従来技術のデバイスにおける軸受破損の問題が排除される。

動作にあたっては、流体、例えば水が、装置１０の動作中に流体に対して最適に調整されたモータの速度に基づく割合で空洞１１内に導入される。外側ロータ５がハウジング内に位置決めされている場合、外側ロータ５の外表面１３が、ハウジング９の内表面１５に面する。間隙１７が、これら２つの表面１３と１５との間に存在し、この間隙１７は、３つの側方キャビテーション・ゾーン２１５からなる、装置１０のための１つの流体加熱ゾーンになる。

図１〜１０の実施例では、加熱ゾーン１７及び加熱ゾーン２５のための同様の構成のための３つの吐出ゾーン３１及び３５の３つのセットのために、６つの流体加熱ゾーンが存在し、そのため、合計１８個のキャビテーション・ゾーン２１５が存在する。この数は、選択されたモータ速度に一致した追加的なアーク長Ｌ_Ａに合わせてキャビテーション・ヘッドの大きさを変更することにより、増減され得る。これは、２次ロータ・ヘッド１９を特定の回転ピッチ又は構成で設けることによって達成され、また、２次ロータ・ヘッド１９は、流体内のエネルギーを高めるために外側ロータ５に類似した物理的特性を有する。ロータ・ヘッド１９の外表面２１が、外側ロータ５の内表面２３に面し、それらの間に間隙が存在する。この間隙は、装置１０の別の流体加熱ゾーン２５を形成する。

ハウジング・カバー２７も設けられる。ハウジング・カバー２７は、ロータ・ヘッド１９及び外側ロータ５を含む封止されたキャビテーション・チャンバを形成するために、任意の知られた固定技法を使用してハウジング９と嵌合する。ロータ・ヘッド１９は、ロータ・ヘッド１９の外部の又は外側の表面２１と外側ロータ５の内表面２３との間に第２の流体加熱ゾーンとして間隙２５を作り出すために、任意の従来の方法でハウジング・カバー２７に取り付けられる。取付けの一例として、開口部２６が、適切な固定具とともに使用され得る。

外側ロータ５及びロータ・ヘッド１９並びにハウジング９及びカバー２７のために選択される材料は、最適な性能及び安全性を目指して選択される。ハウジング９及びカバー２７のための材料の例には、ポリマー、例えばポリアミドが含まれる。外側ロータ５及びロータ・ヘッド１９は、アルミニウム若しくはその合金又はステンレス鋼のような金属材料から作られ得る。

加熱又は浄化すべき流体は、ハウジング・カバー２７上に配置された取入れ口２９を通じてキャビテーション装置１０へ導入される。取入れ口２９の位置は変更することができるが、固定された内部ロータ・ヘッド１９と外側ロータ５との間の第２の流体加熱ゾーン２５（図４参照）に流体が入るように位置決めされることが好ましい。

キャビテーション・ゾーン１７及び２５は、最適なキャビテーションが起こることを可能にする、特別な特徴を有する。図８は、これらの特徴の位置を示す。ロータ・ハウジング９の内表面１５、及び外側ロータ５の内表面２３は、方向性バンパ２０１及び２０３、並びに跳ね返りバンパ２０２及び２０４をそれぞれ有して、方向経路（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｐａｔｈ）上の水をこれらのそれぞれにある傾斜路セクション３１及び３５へ導く。これらの表面の方向性バンパ２０１及び２０３はより長く、一方で跳ね返りバンパ２０２及び２０４は長さがより短くて、３次図である図７に示されているような自然の流体方向Ｆ_ｄに沿って水が傾斜路ゾーン３１及び３５へ導かれることを可能にする。これらのバンパの各組は、内側の列が中央の列に対してオフセット２１２する一方で中央の列が外側の列に対してオフセット２１３した状態でオフセットしていて、流体分子が円筒状の動きで移動する時間の変化に対応し、それにより、キャビテーション孔３３及び３７の位置を決定する際にキャビテーション・ゾーンの速度成分Ｖ_Ｘ、Ｖ_Ｙ、及びＶ_Ｚをもたらす。これは、内部ロータ２１及び外側ロータ５が標準的な製造プロセスに従うことを可能にする。

さらに、吐出流体経路が３次元的であることを可能にすることは、キャビテーショナル孔３３及び３７の配置及び形成に関する幾何学的な製造上の問題を提示し、キャビテーション孔３３及び３７への流体の２次元的な吐出を促進するために、方向性バンパ２０１及び２０３並びに跳ね返りバンパ２０２及び２０４の垂直断面２１０が設けられる。キャビテーション孔３３及び３７は、３次速度Ｖ_Ｚがゼロにされているので、吐出ゾーン２１５とキャビテーション孔３３、３７との間の距離が流体の速度Ｆ_Ｖと直接相関するように、２次元平面に配置される。吐出流体をキャビテーション孔３３及び３７の配列に対して正確に配置することにより、破壊性のキャビテーション気泡は、キャビテーション孔を含まないセクションにおいて制御できずに解放されることを防がれる。これは、方向性バンパ２０１と跳ね返りバンパ２０２との間の漏斗ゾーン２０５における外側ロータ５の内表面２３の形状によって達成される。この傾斜した表面は、装置１０の中心の長手軸Ａから測定したときの径方向距離によって示される螺旋形状を有する。図３を参照すると、装置の中心軸上の点から測定された１つの半径Ｒ２は、別の半径Ｒ４未満である。この外側ロータ５の内表面２３の半径及び螺旋形状における違いが、波状傾斜路（ｗａｖｅ ｒａｍｐ）３１を作り出す。この構成は、波状傾斜路３１においてキャビテーション真空気泡の形成に重要な圧力差をもたらす。

ロータ・ヘッド外表面２１は、所与の深さ及び周囲長の、離間された複数のキャビテーション孔を有して構成される。孔３３は、外側ロータ５の内表面２３の波状傾斜路３１及び螺旋形状と協働して、ロータ・ヘッド１９のキャビテーション孔３３の規則的配列において連続的且つ成長する真空気泡の発生を引き起こす。流体のキャビテーションプロセスを通して、ロータ・ヘッド１９又はキャビテーション孔３３への破壊的な影響を実質的に伴わずに、熱が生成される。動作中、外側ロータ５は、時計方向に回転している（図４参照）。流体は、外側ロータ５の回転サイクル中に圧縮され、流体キャビテーション・ゾーン２５及び１７において圧力が上昇する。波状傾斜路３１及び３５への入口は、急速な圧力損失を生じさせる膨張領域（ａｒｅａ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を提供し、また、この減圧は、キャビテーション気泡の形成並びにその後のキャビテーション孔３３及び３７での破裂を可能にする。

流体は、ゾーン２５に入った後、外側ロータ５の後面３６にある複数のポート３４を通ってゾーン２５から出る。この出て行く流体は、次いで、ハウジング１の内側表面１５と外側ロータ５の外表面１３との間の空間内に形成された他方の流体キャビテーション・ゾーン１７に入る。要するに、流体は、２次キャビテーションプロセスに導入されるが、この２次キャビテーションプロセスは、回転する流体の流れ方向からすると、ロータ・ヘッド外表面２１と外側ロータ５の内表面２３との間のゾーン２５において生じる第１のキャビテーションプロセスとは方向が反対である。

ハウジング１は、図３に示された径方向の違いによって形成された対応する波状傾斜路３５を有して、その内表面１５上に同様の螺旋構造を備える。つまり、半径Ｒ１は、方向性バンパ２０３と跳ね返りバンパ２０４との間のトンネル・ゾーン２０６内に波状傾斜路３５を形成するように、半径Ｒ３未満である。

外側ロータ５は、ロータ・ヘッド１９にあるものと同様のキャビテーション孔３７を含む。

第１の加熱ゾーン２５から出て行く流体は、第２の加熱ゾーン又はキャビテーション・ゾーン１７内へ導入される。その中で回転している流体は、次いで、ロータ・ヘッド１９にある孔３３内へ流体が導入されるのと同じように、外側ロータ・キャビテーション孔３７の規則的配列内へ導入される。チャンバ１７と２５との間の違いは、波状傾斜路３１及び３５の向きである。波状傾斜路３５は、波状傾斜路３１とは逆向きに構成される。

言い換えれば、また、図３を参照すると、増大する半径の螺旋は、外側ロータ５の表面２３の場合、短い半径Ｒ２からより長い半径Ｒ４まで、時計方向に移動する。ハウジング９の表面１５の場合、増大する半径は、短い半径Ｒ１からより長い半径Ｒ３まで、半時計方向に移動する。これは、波状傾斜路３１及び３５の面が互いに逆向きであることを意味する。図５を参照すると、波状傾斜路３５は、直角の配置で示されている面３９を有する。しかし、面３９は、角度を付けられてもよい。螺旋構造は、最大限の真空気泡生成と、結果として生じる、熱を発生させる気泡破裂とを保証する。ゾーン１７及び２５の釣り合いのとれた２重のキャビテーションプロセスは、同時に起こる。したがって、モータ及び外側ロータ５の１回の回転サイクルを通じて、流体は、キャビテーションのために２回処理される。

主要な波状傾斜路３１及び３５が休止状態では図３に示されるように位置合わせされることも、キャビテーション加熱プロセスにとって望ましい。つまり、波状傾斜路３１及び３５は、６時位置にある。

ハウジング１は固定され、装置は軸Ａが水平であるように位置決めされるはずであるので、波状傾斜路３５をこの位置にすることは問題ではない。そのモータ接続により移動し得る外側ロータ５の波状傾斜路３１をこの位置にするためには、１つの方法は、モータ１が動力を提供していないときに外側ロータ５が内側の波状傾斜路３１及び外側の波状傾斜路３５に対して適切な始動位置へ戻るように、複数の出口ポート３４により外側ロータ５の釣り合いをとることである。この始動位置により、プロセス内での流体の最大限の熱生成が達成される。外側ロータの波状傾斜路位置は、６時位置からどちらかの側へ９０度の高さにでも異なり得るが、望ましい始動位置から変更した場合、キャビテーション効率は低下する。波状傾斜路３１及び３５が６時位置にあることも好ましいが、これは、プライミングの観点から、装置の起動を促進するためである（装置は、液体キャビテーション・デバイスとして機能するだけではなく、装置１０内に引き込み且つその液体を吐出するポンプとしても機能するので、入力口２９は、波状傾斜路３１と位置合わせされる。６時位置から３時又は９時のどちらかに向かう変更は、傾斜路での圧力降下を減少させ、且つ／又はキャビテーションを減少させる。アーク長Ｌ_Ａを変更することと併せて、キャビテーション・ゾーン２１５のこの配置を３時位置又は９時位置などの代替的な位置へ変えることにより、キャビテーション・デバイスは、キャビテーション・デバイスの非破壊的性質を維持しながら、流体の熱を吸収し且つ冷却効果をもたらした。

次いで、キャビテーションされている流体は、カバー９にある出口ポート４１を通って低圧（＜１気圧）でキャビテーション装置１０から離れる。最大限の効率を得るために、また、キャビテーションの破壊的要素を排除するために、全体のシステムが、最小限として、可変速度モータ制御装置３０１、吐出水撃槽（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｔａｎｋ）３０３、及び引込み貯蔵槽３０４を含むべきである。吐出水撃槽３０３は、加熱水の適切な騒音制御を保証する１２〜１５ｐｓｉに設定され、一方で、引込み貯蔵槽３０４は、キャビテーション装置１０が周囲流体流れにおいて動作することを可能にする。各流体の物理的性質は、水に対する図９のチャートに示されているように、温度上昇に対して変化するので、キャビテーションプロセスを確実にする速度制御のためにモータ速度が絶えず調節されること、特に、吐出ゾーン２１５からキャビテーション孔３３、３７までの距離が制御されることが、重要である。任意の所与の温度又は他の変化における流体の物理的特性に合わせてモータ速度を調整することにより、それは、漏斗ゾーン２０５からキャビテーション孔３３、３７までの距離が非破壊的キャビテーションのために維持されることを保証する。追加の制御盤３０２が、キャビテーション装置１０の取入れ口及び出力口のプローブ３０７において流体温度を監視することにより、プロセス下の流体に対するキャビテーションプロセスの最適化を保証する。また、浄化などの特定の用途に向けてシステム性能を高めるために、制御弁３０６が渡り配管（クロスオーバ管）３０８とともに配備され得る。加熱された流体は、加熱された流体を用いる任意の知られた用途で使用され得る。

本発明は、従来技術のキャビテーション加熱装置における知られた問題を伴わずにキャビテーション流体加熱装置を有するという目的が、回転する外側ロータ表面１３とハウジング９の内表面１５との間の波状傾斜路３５、方向性バンパ２０３、及び跳ね返りバンパ２０４、並びにロータ・ヘッド外表面２１と外側ロータ内表面２３との間の波状傾斜路３１、方向性バンパ２０１、及び跳ね返りバンパ２０２といった同様の狭窄部又は障害物を含んでゾーン又はチャンバ１７及び２５内に狭窄構造又は障害物を有することによって達成することができるという認識に基づくものである。ハウジング１の内部表面１５及び外側ロータ５の内部表面２３をこのように設計することにより、真空気泡が破裂することが継続的に確実とされ得る。加熱すべき液体を流し込む螺旋状の表面１５及び２３、方向性バンパ２０１及び２０３、並びに跳ね返りバンパ２０２及び２０４を設計することにより加熱すべき液体が破裂の際に孔内で真空気泡を包囲することを確実にすることにより、例えば構成部品の腐食などのキャビテーションの他の有害な影響を軽減又は排除することの他に、キャビテーショナル騒音が減少する。

Ｆａｂｉａｎの設計に対する重要なバリエーションでは、図１〜１０の２つのチャンバ又はゾーンの設計は、それが単に１つのチャンバの設計であり且つ単一の駆動モータにより全ての便益を有してなおも機能することが、理解されるべきである。したがって、ロータ・ヘッド６は、キャビテーション孔を含まずに作られて、ハウジング１と外側ロータ５との間のゾーン１７へ液体を供給するための導管としてのみ機能してもよい。なおもさらなる実施例では、ロータ・ヘッド６は、キャビテーション孔３７を含む外側ロータ５、特別に構成された内表面１５を含むハウジング９、並びに適切な入口ポート及び出口ポートのみが流体を加熱するために相互作用するように、除外され得る。本発明のこの翻案は、所望の用途に固有のエネルギー効率のためのキャビテーション装置１０に適応可能な様々なモータ・サイズにより、多様なサイズの応用構成を可能にする。

単一チャンバの装置は、従来技術のデバイスのキャビテーションに関連する問題の多くを伴わずに加熱された液体を提供するが、固定されたロータ・ヘッド１９とともに外側ロータが設置され、ロータ・ヘッド１９の外部表面に追加のキャビテーショナル孔３３が付けられる、図１〜１０の実施例を用いることがより有利である。この構成と、関連するシステム構成要素とを一緒にすると、エネルギー利用のエネルギー消費に対する比を著しく増大させてロータ・ポンプが熱エネルギーを生成することが可能になるとともに、音波（ｓｏｎｉｃ ｓｏｕｎｄ ｗａｖｅ）（騒音）、軸受破損、及び高吐出圧力エネルギー損失などの従来のシステムの慣例的な問題を克服することが可能になる。

本発明は、システムを加熱又は冷却するための流体を送達すること、流体の浄化及び分離、並びに行程を完遂するために熱を必要とする任意の流体処理での使用のために熱エネルギーを解放することに向けられている。さらに、本発明は、慣例的なボイラ・システム又は炉よりも少ない消費電力を使用するキャビテーションプロセスを通じてエネルギーを解放し、且つ、同様の能力を持つ浄化システムのエネルギー及び設置費用を著しく改善する。釣り合いのとれた内部固定ロータ１９、外側ロータ５、波状傾斜路３１及び３５、方向性バンパ２０１及び２０３、並びに跳ね返りバンパ２０２及び２０４、並びに一致するハウジング１及びカバー２７は、熱的特性を維持しながら高められたエネルギー消費回収率で熱を発生させるための独特の物理的特性を提供する。

本発明は、熱が生じた流体が長期間にわたって保留され、それにより必要とされるエネルギー消費のサイクルがより少なくなるような態様で、これらの独特の構成要素特性を有する。

本発明は、外側ロータが初期プロセスのための遠心力源（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｓｏｕｒｃｅ）としても第２段階のキャビテーション要素としても作用しながら、固定された１次キャビテーション・ロータ・ヘッドを通じて多段のキャビテーションプロセスが最初に完遂されるような、独特なものである。外側ロータ及びロータ・ハウジングはどちらも、キャビテーションプロセスを強化するために波状傾斜路を有する。それにより、システムは、流体の状態を気体に変化させることによりエネルギーが失われないように低い吐出圧力を維持しながら、キャビテーションプロセスから解放されるエネルギーを最大にすることが可能になる。本発明の構成は、キャビテーションプロセスに由来する通常関連する騒音が最小限に抑えられ且つ制御されるような構成である。

上記のように、方向性バンパ２０１及び２０３、並びに跳ね返りバンパ２０２及び２０４を含む、表面１５及び２３の螺旋状の構造は、本発明の重要な特徴である。この構造は、孔３３及び３７内での真空気泡の生成及び成長を可能にする。孔３３及び３７内では、分子の間で真空気泡が生成されて、加熱すべき流体によって包囲される。気泡は、それらがキャビテーション孔３３及び３７に到達するときに、実際には破裂するのではなく、崩壊する。

方法によれば、外側ロータ５は、ハウジング１内に配置されて、駆動機関１によって回転される。回転中、加熱すべき流体が、入力口２９を通じてハウジング１内に注入される。回転を利用して、存在するのであればロータ・ヘッド６の孔３３内で、また、外側ロータ５の孔３７内で、継続的に成長する真空気泡が液体分子の間で生成される。真空気泡は、キャビテーション・ステップ３１又は３５に到達すると、崩壊する。そうでなければ、加熱すべき流体は、チャンバ２５及び１７を通って連続的に流され、真空気泡は、漏斗ゾーン２０５を通過した後で膨張する液体内で崩壊する。崩壊に応じて、相反する方向に移動している液体分子は、爆発する。爆発中に発生した熱は、周囲の液体によって吸収され、加熱された液体は、最終的には出力口４１を通じて引き出される。

本発明によるキャビテーション装置の利点は、加熱すべき液体のために設計された流れチャネルを使用すること、及び、設備の動作のための手順を使用することにより、キャビテーション現象の有害な影響を首尾良く排除する又は減少させることである。

上述の実施例に戻って参照すると、本発明の１つの実施例は、孔を有している単一の回転するキャビテーション体を使用し、それらの孔は、キャビテーション体の外表面に向かって開口している。このキャビテーション体は、ハウジング内で回転し、且つ、ハウジングの内側表面上に配置されたキャビテーション・ステップと相互作用する。この回転中、回転体にある孔内で真空気泡が生成される。気泡は、最終的には、それらがもはや孔に閉じ込められなくなるまで成長して、キャビテーション・ステップと衝突する。この衝突は、液体分子を爆発させ、これは、水の加熱をもたらすエネルギー解放である。

別の実施例では、２セットの孔が存在し、一方の孔のセットは、回転体の外表面上にあり、もう一方の孔のセットは、回転体内に配置された第２の固定された構成要素の外表面上にある。この２重の孔の実施例では、回転体の外表面上の孔のためのキャビテーション・ステップ又は波形状は、ハウジングの内表面上に存在する。固定されたロータ・ヘッドの外表面上の孔のためのキャビテーション・ステップは、回転体の内表面上に存在する。

本発明のシステム構成は、キャビテーション装置がエネルギー利用のエネルギー消費に対する比を著しく増大させて熱エネルギーを生成するのを可能にするのとともに、音波（騒音）、軸受破損、及び高吐出圧力エネルギー損失などの従来のシステムの慣例的な問題を克服することを可能にする。制御盤３０２、可変速度モータ制御装置３０１、吐出水撃槽３０３、引込み貯蔵槽３０４、及び渡り配管３０８を含む制御弁３０６から成るシステムは、キャビテーション装置１０の性能を強化する。

本発明は、機械的手段を介して、釣り合いのとれたキャビテーション炉を通して（システム内の流体の体積に依存して）３０〜７０％低下したエネルギー消費率で加熱された水を作り出す。

本発明の別の態様は、加熱される流体、例えば水の密度を高める装置の能力である。より密度の高い水を加熱するのに必要とされるエネルギーはより少ないことが知られているので、水の密度が高まることは、流体加熱プロセスの効率を高めるのに役立つ。

本発明の装置の加熱効果を監視するために、試験を行った。この試験は、様々な体積の加熱すべき水を使用してキャビテーション装置を動かすことと、入口水温、水流量、キャビテーション装置の出口水温、装置への供給水の温度、駆動モータのパワー、電気消費量、電力の値、電力の消費量、及び周囲温度を監視することとを伴った。この試験は、装置を動かすのに使用された電力と比較して水に対して行われた加熱の量の観点から、高い効率を示した。

したがって、上記で提示された本発明のありとあらゆる目的を満たすとともにキャビテーションを使用する新規且つ改善された流体加熱装置を提供する好ましい実施例の観点から、発明が開示された。

当然ながら、本発明の意図された精神及び範囲から逸脱することなく、当業者により本発明の教示から様々な変更、修正、及び改変が検討され得る。本発明は添付の特許請求の範囲の用語によってのみ限定されることが意図されている。

Claims (14)

1. キャビテーションを利用して流体を加熱するための装置であって、
   ハウジングであって、加熱すべき流体のための入口、及び加熱された前記流体を前記ハウジングから吐出するための出口を有するハウジングと、
   モータ・シャフト上に固定され且つ前記ハウジング内に収容されるように、且つ前記ハウジング内で回転するようになされた外側ロータであって、前記外側ロータは、その外表面に配置された複数のキャビテーション孔を有し、また前記外側ロータは、前記外側ロータの前記外表面と、前記外側ロータの前記外表面に面する前記ハウジングの内表面との間に流体加熱ゾーンを形成するように前記ハウジング内に配置される、外側ロータと、
   を有し、
   前記外側ロータの前記孔を含む前記外表面に面する前記ハウジングの前記内表面が、前記内表面に沿って円周方向に延びる、側方に離間された複数の第１のトンネル・ゾーンを有し、各第１のトンネル・ゾーンが、第１の吐出ゾーンにおいて終端し、各第１のトンネル・ゾーンが、第１の傾斜路を含み、各第１の吐出ゾーンが、隣接する第１の吐出ゾーンからオフセットし、前記ハウジングに入る流体が、前記第１のトンネル・ゾーン及び前記第１の傾斜路と、前記外側ロータの孔と、外側ロータ回転との相互作用によって加熱される、装置。
2. 静止ロータ・ヘッドをさらに有し、前記静止ロータ・ヘッドは、前記ハウジング内に取り付けられ、且つ前記外側ロータの内表面に面する外表面を有し、前記静止ロータ・ヘッドの前記外表面、及び前記外側ロータの内表面が、第２の流体キャビテーション・ゾーンを形成し、前記静止ロータ・ヘッドの前記外表面は、複数のキャビテーション孔をそこに含み、前記外側ロータの前記内表面は、前記外側ロータの前記内表面に沿って円周方向に延びる、側方に離間された複数の第２のトンネル・ゾーンを有し、各第２のトンネル・ゾーンが、第２の吐出ゾーンにおいて終端し、各第２のトンネル・ゾーンが、第２の傾斜路を含み、各第２の吐出ゾーンが、隣接する第２の吐出ゾーンからオフセットし、前記第２の流体キャビテーション・ゾーンに入る流体が、前記第２のトンネル・ゾーン及び前記第２の傾斜路と、前記ロータ・ヘッドの孔と、外側ロータ回転との相互作用によって加熱される、請求項１に記載の装置。
3. 前記キャビテーション装置が水平方向長手軸を有し、前記第１の吐出ゾーンのそれぞれは、前記水平方向長手軸に対して横断方向の断面で見たとき、流体を加熱するための６時位置、及び流体の冷却のための３時又は９時のどちらかの位置にある、請求項１に記載の装置。
4. 前記キャビテーション装置が水平方向長手軸を有し、前記第１及び第２の吐出ゾーンのそれぞれは、前記水平方向長手軸に対して横断方向の断面で見たとき、流体を加熱するための６時位置、及び流体の冷却のための３時又は９時のどちらかの位置にある、請求項２に記載の装置。
5. 前記ハウジングの前記内表面上の前記第１の吐出ゾーンにおける前記第１のトンネル・ゾーンが、前記内表面に対して直角に形成された面を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記ハウジングの前記内表面上の前記第１の吐出ゾーンのそれぞれにおける前記第１のトンネル・ゾーンのそれぞれが、前記ハウジングの前記内表面に対して直角に形成された面を有し、前記外側ロータの前記内表面上の前記第２の吐出ゾーンのそれぞれにおける前記第２のトンネル・ゾーンのそれぞれが、前記外側ロータの前記内表面に対して概ね直角に形成された面を有する、請求項２に記載の装置。
7. ａ）請求項１に記載の装置と、
   ｂ）前記ハウジングへの前記入口と連通している引込み水槽と、
   ｃ）前記ハウジングの前記出口と連通している吐出水撃槽と、
   ｄ）前記外側ロータが取り付けられるモータ・シャフトを有するモータと、
   ｅ）前記モータの速度を制御するためのモータ制御装置と、
   ｆ）前記装置に対して出入りする流体を監視するための温度計と、
   ｇ）前記引込み水槽への入口と前記吐出水撃槽への出口との間の渡り配管と
   を有するキャビテーション装置システム。
8. 前記外側ロータは、前記装置内に内部軸受が存在しないように、片持ち梁式の構成で前記モータ・シャフトに取り付けられている、請求項７に記載のシステム。
9. キャビテーションを利用して流体を熱的に変化させる方法であって、
   ａ）請求項１に記載の装置を提供するステップと、
   ｂ）前記入口に流体を導入するステップと、
   ｃ）気泡とキャビテーション孔との位置合わせを向上させるために、制御された速度を使用して前記外側ロータを回転させて前記流体を加熱するステップと、
   ｄ）熱的に変化した前記流体を前記出口から吐出するステップと
   を含む方法。
10. 前記流体が水である、請求項６に記載の方法。
11. キャビテーションを利用して流体を熱的に変化させる方法であって、
    ａ）請求項２に記載の装置を提供するステップと、
    ｂ）前記入口に流体を導入するステップと、
    ｃ）気泡とキャビテーション孔との位置合わせを向上させるために、制御された速度を使用して前記外側ロータを回転させて前記流体を加熱するステップと、
    ｄ）熱的に変化した前記流体を前記出口から吐出するステップと、
    ｅ）請求項７に記載の制御システムと
    を含む方法。
12. 前記流体が水である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記流体が浄化される、請求項９に記載の方法。
14. 前記流体が浄化される、請求項１１に記載の方法。