JP2022525596A - 浸漬可能なナノバブル発生デバイスおよび方法 - Google Patents

浸漬可能なナノバブル発生デバイスおよび方法 Download PDF

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Abstract

ある体積の液体中でナノバブルを生成するための装置を記載する。装置は、回転可能な軸を有するモータと、吸気口に結合可能で軸方向に回転可能な透過可能部材と、該モータの回転可能な軸に結合された回転可能な筒状支持体であって該軸方向に回転可能な透過可能部材を収容する内部空洞を有する回転可能な筒状支持体とを含む。回転するとき、軸方向に回転可能な透過可能部材が、軸方向に回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体にせん断させる、液体における乱流閾値を超える軸方向の乱流を回転可能な透過可能部材の表面速度が模倣するように回転し、これによって液体中にナノバブルを形成する。TIFF2022525596000002.tif198127

Description

優先権の主張
本願は、35 USC §119(e)の下で、2019年3月14日に出願された米国特許出願第62/818,573号の優先権を主張し、その内容全体は参照により本明細書に組み入れられる。
技術分野
本開示は、ある液体体積においてナノバブルを生成するための浸漬可能な通気デバイスおよび方法に関する。
背景
ポンプまたはブロワシステムなどの様々なシステムが、ある体積の液体媒体に気体を供給して液体媒体において所望の気体飽和レベルを得るために用いられてきた。気体飽和度とは、安定した平衡状態で液体媒体に溶解し得る気体の最大濃度に対する、液体媒体に溶解した気体の濃度の比率である。通気システムは、1つまたは複数のポンプを用いて液体(例えば、水)を再循環させて気体を液体に溶解させ得る。
一例として、水の供給源における溶存酸素量はその水質を示し得る。様々な生物が水の供給源に存在する酸素を利用する。場合によっては、あるレベルの酸素飽和度を液体中で維持することが望ましい。場合によっては、水中の溶存酸素量を増加させることが望ましい。
現在のシステムの1つの欠点は、多くが特定の状況下では実行可能または適用可能ではないということである。例えば、通気システムは、大量の水(または他の液体媒体)には効率的でない場合がある。また、大量の水を圧送して再循環させることは、効率が悪いかまたは機器へのアクセスが不十分なために実行可能ではない場合がある。結果的に、そのような条件では、増加した酸素飽和レベルを得るための代替手段が必要である。
概要
本明細書において用いるように、「ナノバブル」という用語は、1マイクロメートル(μm)未満の直径を有する気泡を指す。ナノバブルよりも大きいマイクロバブルは、1μm以上50μm未満の直径を有する気泡である。マクロバブルは、50μm以上の直径を有する気泡である。
ある体積の通気されていない液体(例えば、水)中にナノバブルを生成するための装置が本明細書に記載される。装置は、モータと、回転可能な透過可能部材と、回転可能な筒状支持体とを含む。モータは、回転可能な軸を含む。回転可能な透過可能部材は、長軸に沿って延びる壁を有する中空の本体を含む。壁は複数の細孔を含み、回転可能な透過可能部材に導入された気体が複数の細孔を通って中空の本体内で流れることができる。長軸に対する各細孔位置の距離はほぼ同じである。回転可能な透過可能部材は、気体供給源から回転可能な透過可能部材の内部に気体を導入するように構成された吸気口に結合可能である。回転可能な透過可能部材は、モータの回転可能な軸に結合されており、回転可能な軸と共に長軸の回りを軸方向に回転するように適合されているため軸方向に回転可能な透過可能部材となる。
装置は、壁を有し内部空洞を画定する細長い本体を備えた筒状支持体をさらに含む。壁は複数の穿孔を画定している。筒状支持体の内部空洞は、回転可能な透過可能部材を収容するように構成されている。筒状支持体は、モータの回転可能な軸に結合され、それと共に回転可能である。筒状支持体は、回転すると、液体を筒状支持体の内部空洞に導入しかつ回転可能な透過可能部材の本体の外面から液体を遠ざけるように適合されている。
回転するとき、回転可能な透過可能部材および筒状支持体は、回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体がせん断してナノバブルを形成するように、液体における乱流速度閾値(例えば、2m/s以上)を超える乱流を模倣する。乱流閾値を超えるレベルでの周囲の液体のこの「模倣された」乱流は、回転可能な透過可能部材の表面からの気体をせん断してナノバブルを形成し、それらが合体するのを防止することによって、ナノバブルの形成を促進し得る。
この、および他の局面は、以下の特徴の1つまたは複数を含み得る。
回転可能な透過可能部材は、液体の乱流閾値を超える乱流を模倣する大きさの外径によって画定される外周を有し得る。
回転可能な透過可能部材の細孔は、200ナノメートル(nm)～50μmの範囲の直径、または50μm以下の直径を有し得る。
回転可能な透過可能部材は、回転可能な筒状支持体に結合し得る。
回転可能な筒状支持体の穿孔は、円形、半円形、長方形、立方体、楕円形、三角形、またはスロット状であり得る。
装置は、台座および保護筐体(例えば、ケーシングまたは枠体)を任意で含み得る。筐体は、第1端と台座に結合された第2端との間に延在する外壁によって画定される。外壁は液体(水など)を透過可能である。外壁は複数の穿孔を画定する。いくつかの実施形態では、外壁はスクリーンまたはメッシュ状の構成要素を含み得る。回転可能な透過可能部材および筒状支持体は保護筐体内に配置される。
保護筐体は、回転できないように台座に固定される。
装置は、保護筐体内に配置されたインペラを含み得る。インペラは、回転可能な筒状支持体に出入りし回転可能な透過可能部材の表面から遠ざかる液体の流れを誘起するように適合されている。
ナノバブルは、500nm未満、200nm未満、約10nm～約500nmの範囲、または約75nm～約200nmの範囲の平均直径を有し得る。
いくつかの実施形態では、ある体積の液体中でナノバブルを生成するための装置は、回転可能な軸を備えたモータと、回転可能な透過可能部材とを含む。回転可能な透過可能部材は、壁と複数の穿孔と有する本体を含み、回転可能な透過可能部材に導入された気体が、複数の穿孔を通って流れることができる。回転可能な透過可能部材は、気体供給源から回転可能な透過可能部材へ気体を導入するように構成された吸気口に結合可能であり、回転可能な透過可能部材は、モータの回転可能な軸に結合され、回転可能な軸と共に回転するように適合されている。
回転可能な透過可能部材は、径方向に延在する少なくとも1つの部材をさらに含む。径方向に延在する部材は、少なくとも1つの翼、羽根、プロペラ、またはそれらの組み合わせを含み得る。径方向に延在する少なくとも1つの部材と共に回転するとき、回転可能な透過可能部材は、回転可能な透過可能部材の本体の外面から液体を遠ざけるように、および、回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体にせん断させる、液体における乱流閾値を超える乱流を模倣するように、適合されており、これによって液体中にナノバブルを形成する。
上記の装置を用いてある体積の液体中にナノバブルを生成するための方法も記載される。装置の少なくとも一部は液体に浸漬される。気体は、回転可能な透過可能部材の細孔に気体を強制的に通過させる気体圧力で、気体供給源から回転可能な透過可能部材へ吸気口を通じて導入される。回転可能な透過可能部材および筒状支持体を回転させることで、回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体がせん断してナノバブルを形成するように、液体における乱流速度閾値を超える乱流を模倣する。
透過可能部材に流入する気体の圧力は約1気圧(atm)～約10atmの範囲であり得る。
上記の装置および方法は、水の処理を含む多数の用途で用い得る。
上記の装置および方法は多数の利点をもたらす。例えば、ナノバブルの発生は、より大きな気泡の発生と比較して、周囲の液体における気体のより効率的な拡散および/または溶解を可能にし得る。ナノバブルのこのより高い移動効率は、大量の液体に通気することが望まれるが、大量の液体の再循環をもたらすために圧送などの従来または最新の通気技術を用いることが実施可能または実用的でない場合がある用途において特に有用であり得る。そのような大量の液体のいくつかの非限定的な例は湖、池、運河、および海洋を含む。
回転可能な透過可能部材の回転は、通気が望まれる液体に浸漬されるか、部分的に浸漬されるか、またはその表面より上方にある、駆動機構によって実施し得る。回転可能な透過可能部材および筒状支持体は同時に一緒に回転させてもよい。回転可能な透過可能部材に流入する気体は、例えば、ブロワまたはエアポンプからの低圧気体(例えば、圧力が10気圧以下の気体)であり得る。いくつかの実施形態では、デバイス(回転可能な透過可能部材および駆動機構を含む)は通気が望まれる液体に完全に浸漬させ得る。いくつかの実施形態では、デバイスを用いて、通気が望まれる液体をさらに圧送する(すなわち、流れを誘起する)必要なく液体中にナノバブルを発生させ得る。デバイスはマンホールなどの狭いスペース内に設置できるようにコンパクトな大きさにし得る(例えば、直径8インチ程度)。デバイスは回転可能な透過可能部材に十分な回転速度を提供してナノバブルを発生させ得る任意の回転器具と一体化し得る。
本明細書において提供される装置は任意の流動条件(例えば、無流動、層流または乱流条件)下で液体中にナノバブルを生成するために必要な流動条件を有利に模倣する。実際の乱流への曝露または実際の乱流を発生させることは、したがって、ナノバブルの生成には必要ではない。回転可能な透過可能部材の回転は、回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体がせん断してナノバブルを形成するように、液体における乱流速度閾値を超える乱流を模倣する。よって、装置は液体の流動条件とは無関係にナノバブルを生成するという利益を提供する。
本開示の主題の1つまたは複数の実施形態の詳細は添付の図面および説明に記されている。主題の他の特徴、局面、および利点は説明、図面、およびクレームから明らかになるであろう。
図1Aは例示的な通気デバイスの分解斜視図である。 図1Bは組み立てられた形態における図1Aの通気デバイスの斜視図である。 図1Cは組み立てられた形態における図1Aの通気デバイスの上面図である。 図1Dは組み立てられた形態における図1Aの通気デバイスの側面図である。 図1Eは図1Dに示される側面図の断面である。 図1Fは筐体が取り外された図1Aの通気デバイスの側面図である。 図1Gは図1Fに示される側面図の断面である。 図1Hは図1Aの通気デバイスの分解側面図である。 図1Jは図1Hに示される分解側面図の断面である。 図1Kは図1Aの通気デバイスの上面断面図である。 図2Aは図1Aの通気デバイスの非回転部分の上面斜視図である。 図2Bは図2Aに示される非回転部分の底面斜視図である。 図2Cは図2Aに示される非回転部分の側面図である。 図2Dは図2Cに示される非回転部分の側面図の断面である。 図3Aは図1Aの通気デバイスの回転部分の上面斜視図である。 図3Bは図3Aに示される回転部分の底面斜視図である。 図3Cは図3Aに示される回転部分の側面図である。 図3Dは図4Cに示される回転部分の側面図の断面である。 図3Eは図1Aの通気デバイスに含まれ得る筒状支持体の一例の斜視図である。 図3Fは図1Aの通気デバイスに含まれ得る筒状支持体の一例の斜視図である。 図4は図1Aの通気デバイスに含まれ得る回転可能な透過可能部材の一例の概略図である。 図5Aは回転可能な透過可能部材の一例の斜視図である。図5Bは回転可能な透過可能部材の一例の斜視図である。図5Cは回転可能な透過可能部材の一例の斜視図である。 図6は液体通気のための例示的な方法のフローチャートである。 図7は液体通気のための例示的な方法のフローチャートである。
詳細な説明
本開示は、所与の体積の液体担体(例えば、ある量の水)中にナノバブルを生成するための浸漬可能な通気デバイスを記載する。回転可能な透過可能部材の細孔を通して、酸素、窒素、または空気などの気体を流すことができ、回転可能な透過可能部材の回転によって生み出される液体の乱流閾値を超える乱流条件下で液体が気体をせん断してナノバブルを発生させ、液体を通気し得る。ナノバブルは1マイクロメートル(μm)未満の直径を有する。いくつかの実施形態では、ナノバブルは200ナノメートル(nm)以下の直径を有する。
通気デバイスおよび方法は様々な状況において実施し得る。一例は、増設する通気システムに結合させるための取付具がないタンクを含む。記載の通気デバイスおよび方法は、デバイスがウェットウェルに降下されて気体を液体に移行させ得るマンホールリフトステーションまたは他のポンプステーションなどの廃水処理プラントまたは他の産業用設備に設置される反応器および/またはタンクにおいて実施し得るか、あるいは記載の通気デバイスおよび方法は、液体の深さが浅い(例えば、液体の深さがわずか6インチ)の雨水排水路、排水溝、または灌漑溝において実施し得る。
記載の通気デバイスおよび方法はまた、ある量の水中で、例えば、ある量の水の底部にて、例えば数百フィートの水深にて、湖または他の水生環境において、藻類の防除の目的のためおよび/または酸素濃度を上昇させるために実施し得る。
通気デバイスおよび方法の他の用途はコンクリート製造を含み、例えば、コンクリートの1つまたは複数の特性を改変させる。記載の通気デバイスおよび方法はまた、塩素もしくは他の酸化剤の使用を低減するために水泳用プールにおいて、または用水路の処理において、例えば、住宅所有者によって個人用の船渠にて停滞水に自然な酸素濃度を復活させるために実施し得る。
記載の通気デバイスおよび方法はまた、水耕栽培用および/もしくは観賞魚用水槽において、または池、例えば、付属器具(通気デバイスなど)を池の外に設置することが望ましくない場合がある装飾的な池において実施し得る。記載の通気デバイスおよび方法は、十分な酸素濃度で魚を維持して魚がより長生きする餌タンクにおいて、または、例えば、魚および/もしくは甲殻類のための海洋養殖において実施し得る。他の用途は、例えば、通気、酸化、および油の分離のために、油田で生成した水、再生水、処理された廃水、および/または飲料水を貯留したり運んだりするために用いられるものなどの、水を保持するための人工池、貯水池、および/または分配システムを含む。
図1A～1Kは例示的な通気デバイス100を示す。デバイス100は台座101、台座101に結合した駆動機構150、台座101に結合した保護筐体102、保護筐体102内に配置された回転可能な透過可能部材103を含み、吸気口104は回転可能な透過可能部材103に間接的に結合している(例えば、吸気口104は、ブラケット107および/またはロータリージョイント105を介して、回転可能な透過可能部材に間接的に結合し得る)。駆動機構150は回転をもたらし得る。駆動機構150は回転可能な構成要素150aを含む。いくつかの実施形態では、駆動機構150はモータであり、回転可能な構成要素150aは回転可能な軸である。いくつかの実施形態では、駆動機構150はギアボックスであり、回転可能な構成要素150aはギア軸である。
保護筐体102は第1端102bと第2端102cとの間に延在する外壁102aによって画定される。第1端102bは台座101に結合している。保護筐体102は液体に保護筐体102の外壁102aを通過させるように構成された複数の穿孔102dを画定する。
回転可能な透過可能部材103は長軸「X1」(図1Aを参照されたい)を画定する本体を有しており、長軸X1の回りを軸方向に回転し得る。回転可能な透過可能部材103は、回転可能な透過可能部材103が駆動機構150の回転可能な構成要素150aと共に回転するように、駆動機構150の回転可能な構成要素150a(例えば、モータの回転軸またはギアボックスのギア軸)に結合している。
ギアボックス駆動システムなどのいくつかの実施形態では、回転可能な構成要素150aを軸の上部に取り付けてもよく、駆動軸全体を中空とし得る。そのような例では、気体は、回転可能な構成要素150aを通じて液体の表面の上方に導入され、駆動軸を通過して回転可能な透過可能部材に入る。吸気口104は、間接的または直接的な結合を通じて、回転可能な透過可能部材103に気体を提供するように構成されている。回転可能な透過可能部材103はその細孔を通じて気体を排出するように構成されている。保護筐体102を通過した液体は回転する透過可能部材103の表面からの気体をせん断して、気体からナノバブルを発生させ得る。
台座101は、例えば、1つまたは複数のネジおよび/または1つのラッチによって台座101を駆動機構150(例えば、モータ)に取り付けることによって、駆動機構150に結合される。台座101は、デバイス100の1つまたは複数の非回転部分(保護筐体102など)を駆動機構の非回転部分(例えば、モータ150のステータ)に固定し得る。図1Aでは概して円形であることが示されているが、台座101は任意の形状を有し得る。
様々な態様では、保護筐体102は任意選択の構成要素である。保護筐体102は保護筐体102内にあるデバイス100の構成要素(回転可能な透過可能部材103など)を、石、布切れ、または周囲の液体に浮遊することがある任意の他の大きな固形物や、デバイス100の内部構成要素を損傷することがある任意の他の物質などの異物との接触から保護し得る。いくつかの実施形態では、保護筐体102は溶接によって台座101に結合されて、台座101と保護筐体102とが一体構造を形成する。穿孔102dは液体に保護筐体102を通過させるので、図1Kに示されているように、液体がデバイス100の内部構成要素(回転可能な透過可能部材103など)間を流れ得る。図1Aでは概して円形であることが示されているが、穿孔102dは任意の形状を有し得る。穿孔102dは大きさが均一または大きさが異なり得る。穿孔102dは保護筐体102全体にわたって均一またはランダムに分布し得る。保護筐体は、液体がデバイスの内部構成要素(例えば、回転可能な透過可能部材103)へ自由に流れることができる一方でデブリ(例えば、繊維質の植物)が内部構成要素に絡みつくことを防止するという利益を提供する。
回転可能な透過可能部材103はその壁に沿って複数の細孔を画定し得る。様々な実施形態において、細孔は、各細孔の中心(少なくとも1つの横断面に沿った)が長軸からほぼ等距離になるように、壁に沿って位置している。気体(空気、酸素、窒素、またはオゾンなど)は回転可能な透過可能部材103に供給され得る。透過可能部材103は、回転するにつれて、周囲の液体(例えば、水)中に乱流速度閾値(例えば、2m/s以上)を超える乱流を模倣する。この液体は次いで、細孔を出てくる気体をせん断して、周囲の液体に分散したナノバブルを形成する。回転可能な透過可能部材103を構成するために用い得る材料のいくつかの非限定的な例は金属、セラミック、およびプラスチックを含む。図1Aでは概して円筒形で示されているが、回転可能な透過可能部材103は楕円形の断面を有する細長い部材など他の形状を有し得る。回転可能な透過可能部材103は下でより詳細に説明している。
吸気口104はブロワもしくはエアポンプなどの気体供給源または任意の他の圧縮気体供給源に結合するように構成されるので、回転可能な透過可能部材103に気体が導入され得る。いくつかの実施形態では、吸気口104は管継手104aを含む。いくつかの実施形態では、吸気口104は気体供給源に結合し得る気体チューブ継手104bを含む。
デバイス100は、回転可能な透過可能部材103に、および/またはデバイスの他の構成要素の一部または全部に結合したロータリージョイント105を含む。回転する透過可能部材103に結合したロータリージョイント105の一部は回転する透過可能部材103と共に回転することができる一方で、ロータリージョイント105の残りの部分は回転する透過可能部材103と共に回転しない。例えば、ロータリージョイント105の回転部分はロータリージョイント105の非回転筐体内にあり得る。吸気口104はロータリージョイント105の非回転部分に結合することができる。ロータリージョイント105および気体供給源は吸気口104の反対側の端部に結合し得る。例えば、ロータリージョイント105は管継手104aの第1端に結合し得、気体チューブ継手104bは第1端とは反対側の管継手104aの第2端に結合し得る。気体は気体供給源から、吸気口104を通じて、回転可能な透過可能部材103へと直接的または間接的のいずれかで流れ得る(例えば、軸および/またはロータリージョイント104を介して)。ロータリージョイント105は、ロータリージョイント105の非回転部分に対するロータリージョイント105の回転部分の径方向のずれを防止するラジアルベアリングを含み得る。
デバイス100は回転可能な透過可能部材103に結合した筒状支持体106も含む。筒状支持体106は、回転可能な透過可能部材103の回転軸に沿った回転可能な透過可能部材103の両端部に結合し得る。回転可能な透過可能部材103は特定の実施形態では筒状支持体106内に配置される。回転可能な透過可能部材103および筒状支持体106は同心円状に整列させた筒型部材であり得る。筒状支持体106は回転可能な透過可能部材103と共に回転し得る。いくつかの実施形態では、筒状支持体106は透過可能部材103に取り付けられる(例えば、溶接によって)。いくつかの実施形態では、筒状支持体106および回転可能な透過可能部材103は一体構造として形成される。筒状支持体106は、様々な実施形態では、回転可能な透過可能部材103にかかるねじりモーメントを低減するかまたは取り除く。
図3A～3Dにおいて、筒状支持体106は、第1壁(例えば、上壁)、第2壁(例えば、下壁)、および第1壁と第2壁との間に延在する筒型の側壁によって画定される円筒形の本体を有する。筒状支持体106は回転可能な透過可能部材103の外径よりも大きな外径を有する。いくつかの実施形態では、筒状支持体106は複数の穿孔を画定し得る。穿孔は回転可能な透過可能部材103へおよびそれから液体が流れるのを可能にし得る。穿孔は、筒状支持体106の第1壁、第2壁、側壁、またはそれらの組み合わせの表面に配置し得る。穿孔は円形、半円形、長方形、立方体、楕円形、三角形、スロット付き、フィン付きなどであり得る。穿孔は均一な大きさまたは異なる大きさ(例えば、筒状支持体の軸方向の長さに沿って穿孔の大きさが徐々に拡大し得る)のものであり得る。筒状支持体106の穿孔は、様々な実施形態において、透過可能部材103の細孔よりも実質的に大きい。筒状支持体の穿孔は透過可能部材103の細孔と形状が同じであるかまたは異なってもよい。穿孔は筒状支持体106全体にわたって均一またはランダムに分布し得る。筒状支持体106の他の例は図3Eおよび3Fに示されている。
回転可能な透過可能部材103によって発生させたナノバブルによって液体が通気されると、ナノバブルを含む液体を回転可能な透過可能部材103から遠ざけるように搬送して、新たな液体(回転可能な透過可能部材から放出されたナノバブルを含まない)が回転可能な透過可能部材103の表面(例えば、外面)へと流れて通気され得るようにすることが望ましい。回転可能な透過可能部材103へのおよびこれからの周囲の液体の流れを誘起することはナノバブルの連続的な発生を可能にし得る。筒状支持体106と回転可能な透過可能部材103とが共に回転する動作時に、周囲の液体は、筒状支持体106の端面にある穿孔を通じて筒状支持体106の内部(inner volume)に流入し得る。回転可能な透過可能部材103は、回転可能な透過可能部材103の表面における液体の乱流速度と同等以上の軸横断流速に相当する回転面速度で回転し得る(例えば、モータ150によって)。乱流閾値を超えるレベルでの周囲の液体の模倣された乱流は、回転可能な透過可能部材103の表面からの気体をせん断してナノバブルを形成し、これらが合体するのを防止することによって、ナノバブルの形成を促進し得る。回転面速度は、レイノルズ数が3,500を超える等価軸横断流速であれば、乱流を模倣していると考え得る。模倣された乱流は回転可能な透過可能部材103の表面からの気泡をせん断する機能を果たす。
動作時に、筒状支持体106の回転により、液体(回転可能な透過可能部材103によって発生させたナノバブルを有する)は筒状支持体106の外側面の穿孔を通じて径方向外側に流れ得る。筒状支持体106の回転は、新たに形成されたナノバブルを回転可能な透過可能部材103の表面近傍から除去してナノバブルの合体を防止する機能を提供する。実際の流れは、筒状支持体106の作用と、その様々な表面によって画定される穿孔の配置とによって生成される。筒状支持体106が回転すると、回転可能な透過可能部材と筒状支持体との間の空洞内に含まれる、ナノバブルを含む液体が回転可能な透過可能部材から径方向に遠ざかるように流れ、筒状支持体106の端面の穿孔から流入する新たな液体と入れ替わる。したがって、筒状支持体106の回転が、回転可能な透過可能部材103の表面へのおよびこれからの周囲の液体の循環を促進するので、ナノバブルの継続的な発生を促進する。
デバイス100はブラケット107を含み得る。ブラケット107は筐体102(例えば、筐体102の第2端102c)に結合し得る。いくつかの実施形態では、ブラケット107は筐体102に溶接される。ブラケット107はロータリージョイント105が内部に存在し得る内部ボアを画定し得る。ブラケット107は、ロータリージョイント105の非回転部分(例えば、ロータリージョイント105の筐体)の回転を防止し得る一方で、ロータリージョイント105の回転部分は回転可能な透過可能部材103と共に回転する。ブラケット107は吸気口104が内部に存在し得るスロットを含み得る。いくつかの実施形態では、ブラケット107のスロットは吸気口104の回転を防止し得る。例えば、ブラケット107のスロットは吸気口104(これはロータリージョイント105に結合している)がロータリージョイント105と共に回転するのを防止し得る。
デバイス100は任意選択のプレート108を含み得る。プレート108は、保護筐体102の端部(例えば、保護筐体102の第2端102c)に結合され、これをカバーし得る。いくつかの実施形態では、プレート108と台座101とは保護筐体102の反対側の端部に結合される。
プレート108はデバイス100のための支持体として用い得る。例えば、プレート108は、ある量の水の底部または床部にデバイス100が安定して静止できる平坦な表面を提供し得る。デバイス100の様々な構成要素をプレート108に結合して、構成要素を所定の位置に固定し得る。例えば、ブラケット107はネジでプレート108に結合し得る。いくつかの実施形態では、ロータリージョイント105の非回転部分はプレート108に結合している。図1Aでは概して円形で示されているが、プレート108は任意の形状を有し得る。デバイス100の様々な構成要素はプレート108の中心に位置するかまたは偏心して設置し得る。例えば、筐体102およびブラケット107はプレート108の中心に位置し得る。プレート108は、図1Aでは筐体102よりも大きな外径を有するものとして示されているが、筐体102と同じ外径を有し得る。
いくつかの実施形態では、デバイス100は回転可能な透過可能部材103を回転させ得る駆動機構を含む。例えば、デバイス100は回転可能な軸150aを含むモータ150を含み得る。例えば、デバイス100はギアボックス(図示せず)を含み得る。駆動機構はあらかじめ設定された範囲の回転速度で回転するように構成し得る。駆動機構はいくつかの異なるあらかじめ設定された範囲の回転速度で回転するように構成し得(例えば、駆動機構の回転速度は範囲内で無段階に変更し得る)、例えば、駆動機構は可変速駆動を含み得る。駆動機構は、通気が望まれる液体に浸漬するか、部分的に浸漬するか、またはその上方に配置し得る。いくつかの実施形態では、モータ150は電気モータ、例えば、ACモータ、DCモータ、ステッピングモータ、またはサーボモータであり得る。いくつかの実施形態では、モータ150はバッテリ駆動のモータである。いくつかの実施形態では、デバイス100はモータ150をある体積の液体(例えば、ある量の水)の上方に取り付けられるように直角ギアボックスを含む。
いくつかの実施形態では、デバイス100は駆動機構に結合した1つまたは複数のインペラ150bを含む。1つまたは複数のインペラ150bの回転は筒状支持体106に出入りする液流を誘起し得る(これによって、液体の循環を促進する)一方で、回転可能な透過可能部材103によってナノバブルが発生する。
図1Bは組み立てられた形態における図1Aに示すデバイス100を示す。気体140(酸素、不活性気体(例えば、窒素)、オゾン、または空気など)は吸気口104に提供される。気体140は、吸気口104から回転可能な透過可能部材103(図1Aに示されているが、図1Bでは穿孔付きの筐体102によって視界から遮られている)へ直接的または間接的に流れ得る。回転可能な透過可能部材103の回転時に、回転可能な透過可能部材103の細孔を通って気体140が流れるにつれて、ナノバブル140aが発生し、筒状支持体106(図1Aに示されているが、図1Bでは視界から遮られている)および保護筐体102に出入りする液体120中に分散する。
いくつかの実施形態では、本明細書において提供される装置はスラリー(例えば、固体と液体の混合物)などの液体を含む組成物を含有する媒体中で動作し得る。液体120のいくつかの非限定的な例は水(池の水、廃水、または生成水など)およびセメントスラリーを含む液体を含む。筒状支持体に出入りする液体120の流れは、例えば、1つまたは複数のインペラ(図示せず)の回転によって誘起し得る。デバイス100の様々な構成要素(回転可能な透過可能部材103など)の回転は駆動機構、例えば、モータ150によって提供し得る。
図1C～図1Jはデバイス100の様々な図を示している。図1Cは組み立てられた形態におけるデバイス100の上面図である。図1Dは組み立てられた形態におけるデバイス100の側面図である。図1Eは図1Dに示す側面図の断面を示す。図1Fは筐体102が取り外されたデバイス100の側面図である。図1Gは図1Fに示した側面図の断面を示す。図1Hはデバイス100の分解側面図である。図1Jは図1Hに示す分解側面図の断面を示す。
図1Kは、保護筐体102内で回転する回転可能な透過可能部材103および筒状支持体106の上面断面図である。気体140が回転可能な透過可能部材103に注入され、回転可能な透過可能部材103から出ていくにつれて、細孔(103a、図示せず)から出ていく気体140と、回転可能な透過可能部材103の外面において乱流閾値を超える乱流を模倣する周囲の液体120の剪断力とによってナノバブル140aが形成される。
図2A～図2Dは、台座101、保護筐体102、およびブラケット107などのデバイス100のいくつかの任意選択の非回転構成要素の様々な図を示す。図2Aは組み立てられた形態におけるデバイス100のそれら非回転構成要素の上面斜視図を示す。図2Bは組み立てられた形態におけるデバイス100のそれら非回転構成要素の底面斜視図を示す。図2Cは組み立てられた形態におけるデバイス100のそれら非回転構成要素の側面図を示す。図2Dは図2Cに示す側面図の断面を示す。
図3A～図3Dは、回転可能な透過可能部材103および筒状支持体106などの、デバイス100のいくつかの回転する構成要素の様々な図を示す。図3Aはデバイス100のそれら回転する構成要素の上面斜視図を示す。図3Bはデバイス100のそれら回転する構成要素の底面斜視図を示す。図3Cはデバイス100のそれら回転する構成要素の側面図を示す。図3Dは図3Cに示す側面図の断面を示す。筒状支持体106は回転可能な透過可能部材から液体を有利に遠ざけて、ナノバブルの合体を防止し得る。
図3Eは筒状支持体106の別の例を示す。回転可能な透過可能部材103は筒状支持体106内に位置し得る。回転可能な透過可能部材103(図示せず)は筒状支持体106の中央内側ボアを貫通し得る。図3Eは筒状支持体106の別の例を示している。筒状支持体106は回転可能な透過可能部材103を囲む。図3Eに示すように、筒状支持体106は1つまたは複数の羽根を含み得る。
図4は回転可能な透過可能部材103の拡大図である。回転可能な透過可能部材103は、気体140が出てナノバブル140aを発生させ得る複数の細孔103aを画定する。細孔103aは50μm以下の直径を有し得る。いくつかの実施形態では、細孔103aは200nm～50μmまでの範囲の直径を有する。細孔103aは大きさが均一または大きさが異なり得る。細孔103aは回転可能な透過可能部材103の表面(例えば、外面)全体にわたって均一またはランダムに分布し得る。細孔103aは任意の規則的(例えば、円形)または不規則な形状を有し得る。
回転可能な透過可能部材103は、ギアボックスに結合したモータ(150)などの駆動機構(図示せず)に結合し、これと共に回転し得る。気体140は回転可能な透過可能部材103に流れ込む。回転可能な透過可能部材103が回転するにつれて、気体140は細孔103aを通って出ていき、ここで、乱流閾値を超える模倣された乱流条件下で周囲の液体(例えば、水)がそれらをせん断して周囲の液体中に分散したナノバブル140aを発生させる。周囲の液体120は、例えば、1つまたは複数の気体の導入(例えば、通気)が望まれる水であり得る。デバイス100の動作時に、回転可能な透過可能部材103が十分に液体120に浸漬されて、すべての細孔103aが液体120の表面より下方になるのが好ましい。
いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103に流れ込む気体140の組成、気体140が透過可能部材103に流れ込む速度、回転可能な透過可能部材103に流れ込む気体140の供給圧、周囲の液体120の組成、周囲の液体120の流速(もしあれば)、および周囲の液体120の圧力などの、発生させるナノバブル140aの大きさに影響を与え得る非構造的要因。
図5A～5Cに示すように、回転可能な透過可能部材103は、その表面に沿った液体の流れを促すために、1つまたは複数の径方向に延在する特徴部110を任意で含み得る。径方向に延在する特徴部110は、回転可能な透過可能部材の本体の外面から液体を遠ざけるように、および、回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体にせん断させる、液体における乱流閾値を超える乱流を模倣するように、構成されており、これによって液体中にナノバブルを形成する。例えば、いくつかの実施形態では、径方向に延在する特徴部110の非限定的な例は翼(図5Aを参照されたい)、羽根(図5Bを参照されたい)、またはプロペラ(図5Cを参照されたい)を含む。径方向に延在する特徴部を回転可能な透過可能部材103の外面に固定して結合させて(またはそれと一体化させて)、回転可能な透過可能部材から液体を遠ざけてナノバブルの合体を防止し得る。特定のそのような実施形態では、筒状支持体106はデバイス内の流れを促すためには必要とされない場合があり、よって任意選択である。
いくつかの実施形態では、径方向に延在する特徴部110は筒状支持体106または/および回転可能な透過可能部材103に結合し得る(例えば、ハブとスポークの構成のように)。
図6は液体通気のための方法600のフローチャートである。方法600は、例えば、通気デバイス100を用いて実施し得る。工程602では、液体(例えば、周囲の液体120)は回転可能な透過可能部材(例えば、回転可能な透過可能部材103)の表面(例えば、外面)を流れる。液体120は、例えば、回転可能な透過可能部材103を液体120に浸漬することによって、透過可能部材103の表面を流れ得る。穿孔のある筐体(例えば、筐体102)は回転可能な透過可能部材103を囲み得る。いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103が液体120に浸漬されると、液体120の流れが、例えば、1つまたは複数の回転するインペラによって誘起され得る。例えば、モータ150は、1つまたは複数のインペラを回転させて、回転可能な透過可能部材103を囲む筒状支持体106を出入りする液体120の流れを誘起し得る。
工程604では、回転可能な透過可能部材103へ気体(例えば、気体140)を流入させる。気体140は、例えば、吸気口104に接続されたブロワまたはエアポンプによって、回転可能な透過可能部材103へ流入し得る。いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103に流入する気体140の圧力は少なくとも1気圧(atm)である。いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103に流入する気体140の圧力は多くとも10atmである。いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103に流入する気体140の圧力は1atm～10atm、または2atm～8atmの範囲である。いくつかの実施形態では、回転可能な透過可能部材103に流入する気体140の圧力は7atm～8atmの範囲内である。
工程606では、回転可能な透過可能部材103を回転させて、気体140からナノバブル(例えば、ナノバブル140a)を発生させ、発生したナノバブル140aを回転可能な透過可能部材103の表面周辺の液体120に排出する。回転可能な透過可能部材103は、モータ150の回転軸150aまたはギアボックスなどの駆動機構によって工程606において回転させ得る。筒状支持体106は回転可能な透過可能部材103と共に回転する。回転可能な透過可能部材103(および筒状支持体106)は、工程606において、回転可能な透過可能部材103の回転面における周囲の液体120の乱流閾値を超える乱流を模倣する回転速度で回転してナノバブルを形成し得る。
図7は液体通気のための方法700のフローチャートである。方法700は、例えば、通気デバイス100を用いて実施し得る。工程702では、回転可能な透過可能部材(例えば、回転可能な透過可能部材103)の少なくとも一部が液体(例えば、周囲の液体120)に浸漬される。前述のように、回転可能な透過可能部材103は、第1端102bと第2端102cとの間に延在する外壁102aによって画定される筐体102内に配置されている。筐体102はその外壁102aに複数の穿孔102dを画定し、筐体へ出入りする液体の流れを促進する。いくつかの実施形態では、筒状支持体106は複数の羽根または翼構造を画定して(例えば、図3Eおよび3Fを参照されたい)、回転可能な透過可能部材103へのおよびこれからの液体の流れを促し得る。回転可能な透過可能部材103はモータ150の回転可能な軸150aに結合される。工程704では、気体(気体140など)は吸気口(例えば、吸気口104)を通じて、直接的または間接的のいずれかで、回転可能な透過可能部材103に導入される。工程706では、回転可能な透過可能部材103に結合した回転可能な軸150aが回転され、これにより気体140からナノバブル(例えば、ナノバブル140a)を発生させる。様々な実施形態では、工程706において回転可能な軸150aを回転させることは、回転可能な透過可能部材103の表面における周囲の液体120の乱流閾値以上の流れを模倣する回転速度で、回転可能な透過可能部材103(および筒状支持体106)を回転させることを含む(方法600の工程606と同様)。
本明細書に記載のデバイス(または装置)および方法のいずれも、ある液体体積(例えば、ある量の水)中に1μm未満の平均直径を有するナノバブルを生成することを含む。いくつかの態様では、ナノバブルは約10nm～約500nm、約75nm～約200nm、または約50nm～約150nmの範囲の平均直径を有する。組成物中のナノバブルは平均気泡直径が1μm未満である単峰性の直径分布を有してもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のデバイス(または装置)および方法によって生成される組成物のいずれもナノバブルを含むが、マイクロバブルは含まない。
本明細書に記載のデバイス(または装置)および方法は、装置を出ていく液体体積中に分散した高濃度のナノバブルを生成することを含む。いくつかの態様では、本明細書に記載のデバイス(または装置)および方法は、少なくともナノバブル1×106個/ml、少なくともナノバブル1×107個/ml、または少なくともナノバブル1×108個/mlである高濃度のナノバブルをその吐出口で生成することを含む。本明細書で提供される装置および方法は、液体担体が所望の期間にわたって安定したままのナノバブルを含有する組成物を製造し得る。いくつかの態様では、本明細書で提供される組成物は、周囲の圧力および温度下で少なくとも1ヶ月、好ましくは少なくとも3ヶ月間液体担体中で安定なナノバブルを含有する。
主題の特定の実施形態を説明した。なお、様々な修正、置換、および変更がなされてもよいと理解されるであろう。図面またはクレームにおいては操作が特定の順序で描かれているが、これは、望ましい結果を達成するためには、そのような操作を示された特定の順序でもしくは連続した順序で実施すること、または図示されたすべての操作を実施することが必要であると理解すべきではない(いくつかの操作は任意であると考えてもよい)。したがって、前述の例示的な実施形態は本開示を規定するものでも制限するものでもない。

Claims (18)

  1. 回転可能な軸を含むモータ；
    壁と複数の細孔とを有する本体を含む、軸方向に回転可能な透過可能部材であって、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材に導入された気体が、該複数の細孔を通って流れることができ、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材が、気体供給源から該軸方向に回転可能な透過可能部材へ気体を導入するように構成された吸気口に結合可能であり、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材が、該モータの回転可能な軸に結合されており、かつ、該回転可能な軸と共に回転するように適合されている、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材；および
    細長い本体を含む回転可能な筒状支持体であって、
    該細長い本体が、壁を有しかつ内部空洞を画定し、
    該壁が、複数の穿孔を画定し、
    該回転可能な筒状支持体の該内部空洞が、該軸方向に回転可能な透過可能部材を収容するように構成されており、
    該回転可能な筒状支持体が、該モータの回転可能な軸に結合されてこれと共に回転可能であり、
    回転するとき、該回転可能な筒状支持体は、該回転可能な筒状支持体の該内部空洞に液体を導入して回転可能な該透過可能部材の本体の外面から液体を遠ざけるように適合されており、
    回転するとき、該軸方向に回転可能な透過可能部材は、該軸方向に回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体にせん断させる、液体における乱流閾値を超える乱流を模倣するように適合されており、これによって液体中にナノバブルを形成する、
    該回転可能な筒状支持体
    を含む、ある体積の液体中にナノバブルを生成するための装置。
  2. 軸方向に回転可能な透過可能部材が、回転可能な筒状支持体内で同心円状に位置するように、該軸方向に回転可能な透過可能部材が該回転可能な筒状支持体に結合されている、請求項1記載の装置。
  3. 回転可能な筒状支持体の穿孔が、円形、半円形、長方形、立方体、楕円形、三角形、またはスロット状である、請求項1または請求項2記載の装置。
  4. 台座および筐体をさらに含み、
    該筐体が、第1端と該台座に結合された第2端との間に延在する外壁によって画定され、該外壁が、複数の穿孔を画定し、軸方向に回転可能な透過可能部材および回転可能な筒状支持体が、該筐体内に配置されている、
    請求項1～3のいずれか一項記載の装置。
  5. 筐体が、回転できないように台座に固定されている、請求項4記載の装置。
  6. 筐体内に配置されたインペラをさらに含み、
    該インペラが、該筐体に出入りし軸方向に回転可能な透過可能部材の表面から遠ざかる液体の流れを誘起するように適合されている、
    請求項4または5記載の装置。
  7. 軸方向に回転可能な透過可能部材が、液体の乱流閾値を超える乱流を模倣する大きさの外径によって画定される外周を有する、請求項1～6のいずれか一項記載の装置。
  8. 回転可能な透過可能部材の細孔が、200nm～50μmの範囲の直径を有する、請求項1～7のいずれか一項記載の装置。
  9. 回転可能な透過可能部材の細孔が、50μm以下の直径を有する、請求項1～7のいずれか一項記載の装置。
  10. ナノバブルが、500nm未満の平均直径を有する、請求項1～9のいずれか一項記載の装置。
  11. ナノバブルが、200nm未満の平均直径を有する、請求項1～10のいずれか一項記載の装置。
  12. ナノバブルが、約10nm～約500nmの範囲の平均直径を有する、請求項1～11のいずれか一項記載の装置。
  13. ナノバブルが、約75nm～約200nmの範囲の平均直径を有する、請求項1～12のいずれか一項記載の装置。
  14. 以下の工程を含む、請求項1～13のいずれか一項記載の装置を用いてある体積の液体中にナノバブルを生成するための方法：
    該装置の少なくとも一部を液体に浸漬する工程；
    軸方向に回転可能な透過可能部材の複数の細孔に気体を強制的に通過させる気体圧力で、気体供給源から該軸方向に回転可能な透過可能部材に吸気口を通じて気体を導入する工程；ならびに
    該軸方向に回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体がせん断するように、回転可能な筒状支持体および該軸方向に回転可能な透過可能部材を回転させて液体における乱流閾値を超える乱流を模倣し、これによってナノバブルを形成する工程。
  15. 軸方向に回転可能な透過可能部材に流入する気体の圧力が約1気圧～約10気圧である、請求項14記載の方法。
  16. 以下の工程を含む、水を処理するための方法：
    請求項1～13のいずれか一項記載の装置を用いて、処理を必要とする水の供給源を含むある体積の液体中に分散したナノバブルを発生させる工程。
  17. 回転可能な軸を含むモータ；
    壁と複数の細孔とを有する本体を含む、軸方向に回転可能な透過可能部材であって、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材に導入された気体が、該複数の細孔を通って流れることができ、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材が、径方向に延在する少なくとも1つの部材をさらに含み、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材が、気体供給源から該軸方向に回転可能な透過可能部材へ気体を導入するように構成された吸気口に結合可能であり、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材が、該モータの回転可能な軸に結合されており、かつ、該回転可能な軸と共に回転するように適合されている、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材
    を含み、
    回転するとき、該軸方向に回転可能な透過可能部材は、
    該軸方向に回転可能な透過可能部材の本体の外面から液体を遠ざけるように、および
    該軸方向に回転可能な透過可能部材の外面からの気体を液体にせん断させる、液体における乱流閾値を超える乱流を模倣するように
    適合されており、これによって液体中にナノバブルを形成する、
    ある体積の液体中にナノバブルを生成するための装置。
  18. 径方向に延在する前記部材が、1つまたは複数の翼、羽根、プロペラ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項17記載の方法。
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