JP3712729B2 - ガス過飽和流体をガス欠乏域に送出する方法及びその使用法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガス過飽和流体を、キャビテーションすなわち発砲を即時に開始することなく高圧環境から低圧のガス欠乏域に送出する方法に関する。
背景の技術
流体中で通常達成可能なガスの最大濃度は、ヘンリーの法則によって決められる。周囲圧力において、水のような液体内での酸素や窒素のような多くのガスの比較的低い溶解度は、液体中のガスの低い濃度を示す。しかしながら、周囲圧力においてその溶解度を大きく超えた、液体内のガス濃度を使用することが有利であることの応用は多くある。ガス／液体混合物の高圧での圧縮は高い溶解ガス濃度を達成するのに使用することができるが、ガス過飽和液体を高圧リザーバから１バールの環境に噴射する試みによるガス過飽和流体の擾乱は、通常流出口あるいはその近傍においてキャビテーションを開始させることとなる。流出口に発生する気泡の急速な放出はガスの多くを液体から発散させ、その結果高度のガス過飽和がもはや高圧容器の外側の周囲圧力では液体中に存在しなくなる。さらに、流出液内の気泡の存在は流出口を通り越す流出液の流れを妨げる。
１９９３年１１月１５日に提出した米国出願番号第１５２，５８９号において、私は、流出口またはその近傍において流出液にキャビテーションを開始させることなく、流れを高圧容器から１バールの環境に噴射させることを可能にする酸素過飽和水流の安定化方法を記述した。約１４０バールの溶解ガスの分圧を表わす、射出物の４ＣＣ酸素／ｇ程度の濃度の酸素を含有する水の流出液を高圧容器から、噴射された流れの中にキャビテーションをまったく開始させることなしに１バールの液体環境に噴射することができる。１バールの空気中において、キャビテーションの開始は噴射流れが分散して滴になるまで遅らされる。
高濃度の酸素で過飽和された水ではキャビテーションの開始がまったくないことにより、毛細管を塞ぐ気泡を形成することなしに、血液の酸素濃度を増加させる目的で、静脈の血液あるいは動脈の血液に酸素過飽和水を生体内注入（vivo infusion）することができる。
前述したこの応用に加えて、広範囲の他の応用は、流出口またはその近傍におけるキャビテーションの開始を伴わない方法でガス過飽和液体を高圧リザーバから周囲圧力に噴射することによって利益を得る。例えば、製紙工場や化学工場の有機物質や工場廃棄物流は、しばしばそのような廃棄物流を水域に排出する前に溶解酸素含有量の増大を必要とする。米国特許第４，９６５，０２２号もまた、同様の要求が都市の廃棄物処理場においても発生するかもしれないことを認めている。同特許は、養魚場が、高密度水産養殖の要求を満たすために、溶解酸素レベルを増加させることを必要とすることを記載している。他の応用は、私の米国特許第５，２６１，８７５号に開示されている。
米国特許第４，６６４，６８０号は、水の酸素含有量を高めることを開示している。この特許は、多数の従来装置のタイプが、液体流と酸素含有ガス流とを連続的に接触させて酸素の吸収を行なわせるのに使用することができることを開示している。酸素含有量を高めるべき物質の大部分に混合する前に溶解酸素の早期の遊離を回避するために、加圧可能な拘束流路が使用される。
他の酸素飽和装置は米国特許第４，８７４，５０９号及び第４，９７３，５５８号に開示されている。これらのあるいは他の解決手段は、流出口あるいはその近傍において流出液内にキャビテーションすなわち気泡を形成することなしに高圧リザーバから低圧の反応域に富ガス流体溶液を注入する要求を未解決のままにしている。
発明の要約
ガス過飽和液体を、高圧リザーバから、キャビテーションを即座に開始させることなく、低圧で、ガス過飽和液体の使用を可能にする、周囲圧を含む比較的低い圧力環境に噴射する方法を記載する。液体中のキャビテーション核は、高圧リザーバ内での圧縮により除去される。ガス過飽和液体の送出系の遠位端に、適当な流路を使用し、流路の内面に沿って、キャビテーション核を除去することにより、流出口に、あるいは、流出口の近くに、キャビテーションを開始させることなく、液体を比較的低い圧力環境に噴射することができる。
したがって、ここに記載された本発明の重要な点は、送出系統の遠位端に、小さな毛管流路を使用し、液体を0.5ないし1.0キロバールの範囲で静水圧縮して、流路の内面に沿う、キャビテーション核を除去することにある。液体中のキャビテーション核および気泡は、高圧リザーバ内において、静水圧縮あるいは、液体中の所望のガス濃度をもたらす圧力に維持されたガス源からの圧縮によって、除去される。0.5ないし1.0キロバールまでの静水圧縮は、液体中のキャビテーション核および気泡を迅速に除去するが、より時間を要するものの、ガス源からの大変低い圧力が効果的である。ガス源が液体を加圧し、液体中の所望のガス濃度を達成するのに使用されるときには、ガス圧力の範囲は、典型的には、１０バールないし１５０バールの範囲である。
流出口での、あるいは、その近くの、キャビテーションの開始がない結果として、ガス過飽和液体の流れを使用して、ガス欠乏液体を周囲圧力にして、単に、ガス過飽和流出液の対流によって、ガス欠乏液体を高圧リザーバの外側の、ガスで富化することができる。ガス相から液体への拡散により、ガス欠乏液体をガスで富化するプロセスは、対象すると、極めて遅い。流出液中に気泡がないため、さらに、ガス欠乏液体中への噴射が妨げられることがない。ガス過飽和液体が空気環境に噴射されるとき、流出口での、あるいは、その近傍での、キャビテーションの開始がないため、流出液を、ガスで過飽和されていない同じ液体と同様に、すなわち、ガス核の急速な成長から、流出口の近傍で、拡散噴霧に分解するのではなく、通常起こるように滴に分解するまで、噴射流はそのままである。
好ましい実施態様および発明の最良の実施態様についての詳細な説明
本方法を実施する代表的な例にしたがって、以前におこなったことの修正につき、以下に記載する。
酸素過飽和水を、シリカの管のような毛管流路の中を流し始めるためには、１０ミクロン又はそれ以下の程度の流出口の内径を用いることが必要であった。しかしながら、キャビテーション核を、流路から、その全長にわたって、一旦、除去してしまえば、ガス過飽和水の流れが毛管流路の大きな近位部分を通して、再開し、あるいは、続くことが判明した。たとえば、静水圧を加えることにより、キャビテーション核を除去することができる。
管の内径が増大するにつれて、その長さにわたり、キャビテーションの開始なく、１バールの水性媒体の中へ灌流させることができる最大酸素濃度が減少する。たとえば、１００ミクロンの内径のシリカの管について、このように使用できる最大酸素濃度は、約1.5ｃｃ酸素／ｇであり、−２５ミクロンの管については、最大酸素濃度は約３ｃｃ酸素／ｇである。したがって、一旦、キャビテーション核を除去すれば、大きなボアの毛管を気泡が形成されない流出液を送出するのに、使用することができる。
したがって、管の内径と最大酸素濃度とが逆の関係にあってもよいことが判明している。おそらく、１ｍｍほど又はそれ以上の流路を使用することができるが、流出液内に気泡を生成させることなく、達成することのできる最大酸素濃度は１００ミクロンの管に対するものよりも低いであろう。
実験手順
３０ccの容量を持つホーンで仕上げられた円筒状キャビティを有する両面高圧容器（Leco,Tem-Press Div.）に、５６．２４Kg/m²（８００ｐｓｉ）の酸素で平衡させた５ｇ％のブドウ糖水溶液を充填した。一晩平衡後、３００ccの容量のＰａｒｒボンベから酸素過飽和流体を５６．２４Kg/m²（８００ｐｓｉ）で移した。Leco容器をＰａｒｒボンベから隔離し、Leco容器の近位端に位置決めされ、Ｏリングでシールされたピストンを液圧コンプレッサーからの約0.7キロバール静水圧の酸素過飽和流体に向って駆動した。
例えば、プロパントーチで７ミクロンにテーパさらた、内径１００ミクロン／外径３６３ミクロンの溶融シリカ管（Polymicro Technologies）の中を流体を送出した。数分間静水圧をかけてキャビテーション核を除去し、流体の螢光塗料のアルゴンイオンレーザ照明の使用により確認されたように流出液に気泡が現れなかったことを確かめた後、シリカ管をテーパ部分に近い数mm割った。すると、管の遠位端の内径は１００ミクロンであった。
多数回ParrボンベからLeco容器を補給することをを含めて、長時間に亘ってキャビテーションの開始はなかった。Leco容器の圧力を１バールまで下げさせたときでも、1.3乃至2.0ccの酸素／ｇを含有する流出液に気泡は認められなかった。キャビテーション核を収容する第２の１００ミクロンシリカ管を第１の管と平行に配置し、気泡の主流を第２の管から排出し、第１の管には気泡は認められなかった。しかしながら、テーパ遠位端及び0.7キロバールへの一時的静水圧の使用後、テーパ先端を割って遠位端の内径が１００ミクロンとなった後、第２の管に気泡は認められなかった。
好ましいシステムでは、多孔シリカ管から作られるキャビテーション核のような、送出系統の遠位端の流路の内面のキャビテーション核を除去するために、0.5乃至1.0キロバールの液圧を加えるのに液圧コンプレッサーが使用される。液体は、ガス欠乏化されていても良いし、ガス高化されていても良い。大量のガス過飽和液体中のキャビテーション核の除去は、所望の分圧のガスの圧縮によって簡単に達成される。かくして、シリカ管の中の流れを開始させるときに、最初に、液圧コンプレッサーからの高圧液体が用いられ、引き続いて、ガス過飽和液体の流れがガスタンクからの圧力下でリザーバから送出される。
Ｏ₂ガスが過飽和される前にＯ₂ガスが水を圧縮するときには、キャビテーション核を水に溶解するガス圧と、過度の攪拌のない十分な休止との組合せは、（容器の表面のキャビテーション核、又は、微粉と関連したキャビテーション核は消滅しないかもしれないけれども、それ自体で独立している気泡は、これらが成長し、表面まで上昇するか、或いは、溶けてしまうというように、固有的に不安定である）気泡を除去する。従って、ガス過飽和水がＯ₂タンクから加圧された容器から流れるとき、流出液には気泡は認められない。偶発的気泡又は微粉の隙間と関連したキャビテーション核が送出系統の遠位端の管の中を流れるならば、流出液の安定性は影響を受けない。おそらく、大量の液体中の気泡が管を通るときには、液体の薄膜が気泡を管の面から分離し、これによって、キャビテーション核の形成を阻止する。対照してみると、キャビテーション核が管の内面に存在しているならば、キャビテーション核は流出液中で気泡の急速な成長を連続的に引き起こしてしまう。
Ｏ₂過飽和流体を送出するための駆動圧力としてのＯ₂ガス源の使用に固有な利点は、カテーテルを使用に「備える」のにたった１つの液圧コンプレッサーを必要とするに過ぎないことを含む。すると、おそらく、液圧コンプレッサーは最早必要とされない。一定の内径（i.d.）に対して適切な数の流路を単に使用することによって流量を調節することができる。ガス源は、水中のガスの所望濃度を達成するのに必要とされる分圧と、ガス過飽和水を送出系統の遠位端の流路の中を送出させるための駆動圧力とを同時に提供する。この二重の目的で用いられるガス圧力は１０．５４５乃至１４０．６Kg/m²（１５０乃至２０００psi）程度である。
その代わりに、ガス過飽和液体を送出系統の遠位端の流路から押し出すのに液圧コンプレッサーが用いられる。比較的一定の圧力を維持するために、２つの往復液圧コンプレッサーを用いるか、又は、単一のコンプレッサーの補充中に起るリザーバの中の圧力降下が過度にならないように、十分に大きなリザーバーをコンプレッサーと流路との間に介在させる。
キャビテーション核を取り除くために毛管流路内に0.5ないし1.0キロバール程度の高い静水圧を達成する簡単な方法は、圧力を加える前に、送出系統の遠位端を約２０ミクロンよりも小さな直径まで先細りにすることである。その代わりに、比較的ガス欠乏液体を同じ押し出し圧で大きな流路の中を灌流させてもよい。すなわち、流路の遠位端での圧力降下はこの場所での静水圧縮の程度を減じるが、この液体中の相対的なガス欠乏は、低圧でキャビテーション核を溶解するを助ける。1.5ないし2.0cc酸素/gの、ガス過飽和水は、キャビテーションの開始なく、先細りでない遠位端から水の中へ送出させることができる。一旦、キャビテーション核が取り除かれると、水の中への１００ミクロン管の中の酸素過飽和水の流れを、流出液に気泡を形成することなく達成することができる。高圧容器の圧力は、長時間の間に、１バールまで降下する。管の遠位端を普通の水道水の中に一晩入れて置いた状態で、0.5ないし１キロバールまで過渡圧縮の後、酸素過飽和水の流れを、自由流れの中にキャビテーションの発生なく再開することができる。
管の長さ全体にわたってキャビテーション核を取り除くのに他の方法を使ってもよい。噴射の前（キャップを取り外した後）に流路の端に全静水圧を付加させるために、一時的に、流路の遠位端にキャップをすることは効果的である。
その代わりに、ガス過飽和液体を流す前に、ガスの除去剤を管の中の液体の中に展開させてもよい。酸素含有ガス核を流路の表面に沿って除去するための後者の方法の例としては、亜硫酸ソーダ溶液又はデオキシヘモグロビンの溶液がある。両方の物質は酸素を拘束してガス核を除去する。
ガス核を除去するために酸素過飽和水を送出する系統の遠位端に、例えば金属管内でのガス核中の酸素の電気化学的な減少を用いてもよい。
キャビテーション核を流路の内面に沿って除去するのに、強い真空の適用又は管の中の液体を高い温度まで加熱することを用いてもよいが、液体（必要ならば、特にガス抜きした液体）の静水圧縮が好ましい。
１０ミクロンよりも大きな内径を有する流路を使用した場合には幾つかの利点がある。すなわち、同等の流れを送出するのに非常に少ない数の流路で足りる。また、流路の詰まりを防止するガス過飽和液体の適当な濾過は、達成が非常に簡単である。また、適当な長さの流路又は管の使用によって、流量及び流速を簡単に調整することができる。
例えば、酸素過飽和５ｇ％ぶどう糖水（約３cc酸素/g）を0.7キロバールまで加圧して、管を通じて生理圧の血液の中に送り込むときに、内径３０ミクロン、長さ約３フィート（約９０cm）の溶融シリカ管（Polymicro Technokogy）によって、約２００cm/secの流速および約0.09cc/minの流量を得ることができる。より高い流速は溶血の原因になるので、適当な長さの管の使用は、流速を適当な低レベルに調整するのに役立つ。0.5ないし１キロバールまでの初期の静水圧縮後、ドライビング力を１バールないし１キロバールに調整すると共に内径３０ミクロンの管の束を使用することによって、所望の酸素送出流量を得るために全流量を変化させることができる。
シリカまたはガラス毛管が開示されているけれども、路は、石英、金属、中空炭素繊維、セラミック、サファイヤ、又はダイヤモンド内に構成されてもよい。
１９９３年１１月１５日に出願した私の係属出願第１５２、５８９号に説明されているように、患者の体組織酸素添加の部分サポートまたは完全サポートのいずれの目的にも静脈または右心室への酸素過飽和生理液の送り込みを用いることができる。流体の動脈内送り込みを用いて、酸素を吸うことによって達成される血液酸素張力よりもはるかに高い血液酸素張力を達成することができ、それによって、低酸素症又は虚血症組織への局所的な酸素送り込みを改善することができる。
たとえば、私は、以下のようにして生体外で血液に酸素を送り込むことができた。静脈血液を窒素にさらして２０ｍｍＨｇ以下程度の非常に低いレベルまで酸素張力を下げた。２０ｃｃ部分をプラスチックビーカーに入れパラフィルム（Parafilm）でふたをした。ビーカーの壁の一部分を薄いプラスチックフィルムで置き換え、カップリング剤として超音波ゲルを使用して、超音波変換器をこのフィルムに当てて位置決めすることができるようにした。血液体積の二次元画像を連続的に監視した。酸素分圧を連続的に監視するために電極（ダイヤモンド ジェネラル、アン アーバ（Diamond General，Ann Arbor））を血液内に配置した。
内径が５ミクロンから１００ミクロンの範囲の流路を有する１つまたはそれ以上のシリカ毛管を使用して、酸素を飽和させた、キャビテーション核を含まない５ｇ％のブドウ糖水溶液を高圧容器（Leco）から血液に送り込んだ。超音波によって多数の気泡が発生した酸素のしきい分圧を記録した。約２０回の実験で、気泡の形成が開始される前に、８００〜９００ｍｍＨｇの平均酸素分圧を達成した。
かくして、血液中に達成できる酸素張力は１バールよりも高い。高圧酸素室では、純粋な酸素ではなく空気を圧縮することを考慮すると、２−３バールまで加圧されたかかる室で達成できる酸素分圧は３５０〜６５０ｍｍＨｇ程度にすぎない。さらに、圧縮ガス中の高い酸素張力は、数時間以上さらされると肺に毒性をもたらす。動脈内への酸素飽和生理液の注入を用いると、高圧酸素室を使用したときに比べて、より高い酸素張力レベルを達成することができ、かつ、はるかにより長い時間に亘ってそうすることができる。この方法による局所的組織低酸素症又は虚血症の治療は、目標組織の動脈血供給内にカテーテルを配置することによって達成することができる。
表Ａは、本発明の実施中に行われた実験観察の例およびこれらの実験観察から導出された事項を表わす。Ｏ_Lガス源を使用して１０〜１５０バールの駆動圧力を作り出すときには、0.7キロバールとガス圧との比に等しい倍率だけ最小長さを小さくする。

管の数はカテーテルの遠位端の血管配列を表わす。0.7キロバールでの最大酸素送り込みは各径に対して５０cc／分に等しかった。最小長さは、２００cm／秒の最大流速に基づく。高速が可能であるが、長時間の高速の使用は赤血球の溶血をもたらすことがある。
他の使用
Ａ．ＭＲＩ
酸素は、常磁性であるから、酸素過飽和溶液の血液への注入は、磁気共鳴画像処理（ＭＲＩ）による血液及び酸素添加された組織の結像を高める。即ち、酸素過飽和溶液はＭＲＩコントラスト剤として作用するものと期待される。
Ｂ．局所的な用途
酸素過飽和生理溶液或いは水を、皮膚及び傷を含む体の表面と接触して配置したら、ガスの局所圧力が略１４０バールとされるから、酸素の組織の中への拡散速度の顕著な増大が起こる。
さらに、水が体の表面に亘って拡散するにつれて、ガス過飽和流体内の酸素が移送され、それによってガスの組織への拡散速度を増す。
虚血性の傷の際には、組織内の改善された酸素レベルが治癒速度を増大させる。幼児或いは新生児のように、表面積対質量比が大きい場合には、流通だけによる酸素添加が全身の低酸素血症と関連するとき、体（頭を除く）の大部分の表面積の酸素過飽和流体との接触により、血液酸素張力レベルを著しく増大させる。
酸素過飽和生理溶液との交換は、呼吸不全の患者の全身の酸素添加をサポートするのに用いることができる。肺の酸素過飽和液体による肺の拡張不全領域の膨張は、肺胞を拡張させるのに、空気或いは酸素ガスより効果的で、さらに、酸素の肺の毛細血管への拡散を増すのにより効果的である。加えて、液体による肺の膨張は同時に不必要な肺の滲出物を取り出すのに有用である。
傷への酸素過飽和溶液の局所的な用途は、組織の低酸素症を和らげるのに加えて、かかる組織を清浄化し、鮮創し、及び殺菌するのに用いることができる。過酸化水素溶液が現在、これらの目的のために用いられるが、肉芽組織内の細胞がバクテリアとともに過酸化溶液によって、損傷をされることがる。対照的に、高圧酸素溶液はバクテリアに有害で、傷内の組織に有益である。
Ｃ．産業上の用途
キャビテーションの即座の開始なく、ガス過飽和流体を比較的低圧の環境へ注入できることは、多数の産業上の用途に有用性を見出す。以下の用途が代表的な例である。
1．消火
キャビテーションがないとき、ガス過飽和水が高速で管の遠位端から噴射され、水の本来の引っ張り強さのために、水流が分散して滴になった後に、ガス核形成が起こる。窒素、二酸化炭素、或いはアルゴンのような不活性ガスが、過飽和濃度で水に溶解され、キャビテーション核を除去するように圧縮されたら、高圧下でガスを含有する水流を、キャビテーションが流出口の近くで起こることなく、１バールの空気或いは液体環境に送出させることが可能である。
例えば、0.5乃至1.0キロバールの静水圧縮圧の前後に、窒素を略１５０バールの圧力で水に溶解し、キャビテーションの核を除去することができる。適当な管から噴射させることができる水流は、キャビテーション核がないことによって流体の準安定性を保持する。ガス過飽和水流の固体表面との接触の際、滴への自然分散が起こり、さらにガスが突然解放される。同様な結果が加熱の後に続く。
このガス放出は、火を消すために、少なくとも３つの点で有益である。ガスの膨張は、より広い容積にわたる水の分散を助けることになり、ガスの膨張が冷却を生じさせ、そして、不活性ガスが空気中の酸素と置き替わることになる。この消火方法はより費用がかかると考えられていたが、水をより効果的に使用し、そして、もっと重要なこととして従来からの水の使用より効果的である。このような利点は、干ばつに見舞われた地域で、そして、充分な消火用の水を火災現場に送出するのに困難性がある他の状況で高められる。
以下の方法で、この用途の試験を行った。高圧容器から0.7キロバールで送出され、内径１０ミクロンのシリカ管の中で約２、０００ｃｍ／ｓｅｃの速度を有する水の噴流を、実験室のプロパントーチの炎に向けた。プロパンの流量を、炎の内側の青い部分の頂点が金属カラーの端と一致するように、調整した。シリカ管の遠位端と炎の青い部分の頂点との間を約８インチの距離で始めて、炎が消えるまでか或いは距離が１インチ未満になるまで、この距離を短くした。
水の中にガスが入っていないときには、炎を消すために、３回の操作で、２乃至３インチの平均距離を必要とした。１回の操作では、炎を消すことは出来なかった。もう１回では、約１インチの距離を必要とした。
これに対して、水を１７００ｐｓｉ（約３ｃｃ ガス／ｇ）のアルゴンで過飽和させ、かつ、0.8キロバールまで静水圧的に圧縮してキャビテーション核を除去すると、約4.5乃至５インチの平均距離が４回の操作の各々で、炎を消すのに、効果的であった。これらの操作についてシリカチップと流れ条件は、水にガスが入っていない条件と等しかった。
かくして、不活性ガスで過飽和され、静水圧縮で安定化された水の使用及びテーパにした（先細り）シリカチップの使用は、プロパントーチの炎を消すのに、水だけの使用より、はるかに効果的であることが明らかである。
2．飲料の浄化および炭酸化
人間の消費に使用される水は、清浄、及び、健康あるいは味に影響を及ぼす汚染物質の除去を確保するのに、多くの段階を受ける。一般的に使用される最初の段階は、汚染物質を酸化する化学処理である。
（対流による水の酸素添加は、拡散による酸素添加より効果的であるので、）キャビテーションの無い酸素過飽和、水の注入は、酸素ガスの使用よりも効率的な酸化方法であり、且つ、過酸化物の使用とは異なって、毒性がない。
一旦、飲物用の水が浄化されると、びんあるいは缶に水封入する前に、通常、二酸化炭素を導入する（或いは、缶については隠れたガス発生器（undercover gasser）を用いても良い）。ガスは、その溶解濃度を増すために、通常、低温高圧下で導入される。二酸化炭素で過飽和され且つ全てのキャビテーション核を取り除くように処理された水の使用により、炭酸化工程を、事実上、周囲の室温で行うことができ、それによって、冷却の必要性を排除できる。もし、容器の内壁にも顕著なキャビテーション核が無いならば、飲料を室温で貯蔵し、そして、泡を著しく発生させることなく、且つ、炭酸飽和を著しく損なうことなく、通常の温度より高い温度で容器を開けることが可能である。
飲料を泡立てる二酸化炭素の使用の興味深い変形例は、酸素、空気あるいは窒素の使用である。これらのガスの一定な溶解度が、通常は、この目的のためにこれらのガスの使用を妨げる。しかしながら、これらのガスのいずれかで過飽和にされた水を、飲む直前に、濃縮シロップと混ぜることによって、できた飲料のガス収量が、炭酸飲料で現在使用されている収量と同じなる。
酸素あるいは空気がこの方法で使用されるときには、飲料内の高圧酸素含有量が、無菌状態を維持するのを助け、飲料の消費が、二酸化炭素の使用と比べて、口腔内の細菌性病原体に対して、より有利な抑止効果を有するものと期待される。
3．スチール製造
スチールの製造工程中、高速酸素に隣接した冷却水ジェットの助けをかりて、初めに原料金融溶融体の表面に、引続き、より深い層に、酸素ガスを送出するのに酸素「ランス」が使用される。酸素処理の目的は、炭素及び珪素のような望ましくない材料を酸化させることである。溶融体の上に作られた浮遊物である気泡の多い混合物は、精製された溶融スチールを残して注ぎ出される。
酸素で過飽和状態にされた水を使用すれば、酸素ガス流と比べて、溶融金属に入り込むのにより効果的であろう。従って、酸化工程は、より速く且つ完全となり、その結果として、より優れた降伏特性（yeild characteristcs）を有するスチール及びより効率的な方法が得られるであろう。
4．木材パルプの脱リグニン
木材パルプの漂白及び脱リグニンにおいては、気体又は過酸化水素の形態のいずれかとして導入される酸素が要求される。酸素過飽和水の使用は、酸素ガスの使用に比べて、木材パルプを含有する懸濁液を酸素添加するのに、はるかに効率的な手段であり、また、より高いレベルの酸素張力（tension）が得られるであろう。
そのような処理によれば、過酸化水素を使用する場合と比べて、流出液は毒性が少なくなるであろう。また、後者では、酸素過飽和水を使用するよりも費用が高くなるだろう。
5．排水／バイオ反応器処理
排水処理の従来のすべての方法は、空気または酸素ガスを水と混合する何らかの方法に基づいており、また、排水の酸素添加について、気体から液相への遅い拡散工程に依存している。同様に、薬剤等の副産物を作るのに使用される、酸素をバイオ反応器に導入する方法の多くは、酸素ガスを有機体が中に浮遊している水と混合する工程に依存している。ある有機体による酸素消費率は非常に速く、多くの形式のバイオ反応器の設計で、酸素を非常に速く導入するようにしている。
空気（又は、酸素濃縮空気）から、生物学的種（biological species）の反応場所（rection site）へ移動する、基本的な物質移動工程（すなわち、酸素が経なければならない工程）は、気泡内部のガスフィルムを通り、気泡−液体界面を横切り、気泡の周りの液体フィルムを通り、良好に混合されたバルク液体（液体培地）を横切り、生物学的種の周りの液体フィルムを通って搬送し、最後に、種（例えば、細胞、種子、微生物種（microbial species））内で、バイオ反応場所に搬送する工程からなる。各工程は、酸素移動に対する抵抗を提供する。速度制限工程は、通常、空気−液体界面において生じる。
上記の如く、対流による酸化は放射によるよりも著しく速いので、酸素過飽和水を使用すれば、従来の方法よりもかなり速くなり、また、バイオ反応器内での酸素の最適な分圧の微妙な制御が可能になるであろう。
バイオテクノロジーの分野においては、好気バイオ反応器の中の、成長する生物学的種への酸素の供給（アエレーション）は、バイオテクノロジーにおいて最も重要な要件の１つである。アエレーションは通常、酸素を、空気から生物学的種を取り囲む流体の中に移送することにより達成され、他方、そこから酸素が生物学的種自体に移送される。バイオ反応器内の生物学的種によって要求される酸素の量（rate）は、種、その濃度、また、周囲流体における他の栄養素の濃度に依存する。
アエレーションの重要性の主たる理由は、電解液及び他の溶質の存在下で、温度が上昇するにつれて減少する値である、酸素及び水の溶解度に限界があるからである。２５℃における大気圧の空気の存在下での、酸素（平衡飽和濃度）と水との溶解度の典型的な値は、約０．００８ｇ／ｍ³（すなわち、約８ｐｐｍ）の酸素である。
更に、各バイオ反応が異なる量の酸素を必要とすることに加えて、反応速度と溶解酸素レベルとの間にそれぞれ、特有の関係がある。
6．池、湖、小川、水族館、養魚場、水泳プール及び市営飲料水の酸素注入処理
これらの水域の好気性環境を向上させるために、空気中の酸素が水中に混合される。上記したように、気相から液体の中への比較的ゆっくりした拡散工程のため、この工程は非効率的である。
空気又は酸素過飽和水をこのような水域へ注入することが、酸素のはるかにもっと効率的な移動手段であるばかりでなく、ガス過飽和水の高速流が、ガス或いはガス／水混合物のいずれよりもはるかにもっと効率的に広い水域へ浸入する。この高速流は、ガス／水混合装置或いは気泡発生器を水の深い層の中に位置決めする要求と対照的に、もっと表面上の位置から水の深い層に浸入するように差し向けられる。
7．表面の洗浄
普通、水噴射が工場床の表面、建物の外面、橋、ガスたとえば空気をきれいにするのに用いられる。
表面との接触のときガスの突然の膨張が表面材の除去のための付加的な力を生じさせるから、過飽和水はもっと効率的であると期待される。表面との接触のときキャビテーションの開始はサンドブラストの作用と同様な方法で作用するが、対照的に、環境上の問題を提起するであろう。
8．化学反応の強化
化学反応が液体媒質中のガスの使用を伴うとき、周囲圧力での反応速度はガス過飽和液体の使用によって高められる。加えて、温度の過剰な上昇を回避することが望ましい発熱反応においては、ガスを過飽和濃度で保有する液体をバラストとして用いることができる。
酸素或いは空気のいずれかで過飽和された水を、燃焼の向上及び温度の制御のために有機燃料の中へ或いは有機燃料の上に注入することは、１つのこのような例を表す。同様に、もし、液体燃料が空気或いは酸素で過飽和され、かつキャビテーション核がガス過飽和燃料を収容している送出系統内で取り除かれたならば、燃料を高圧容器から噴射させるとき及び点火のときの燃料の燃焼は、燃料だけの使用よりも迅速に進行するものと期待される。燃料流が分散して滴になり、引き続いて、微細な気泡になるときに現れる広い表面積に加えて、燃料内の酸素の高圧は、改善された燃焼速度の原因である。
9．人工雪の製造
たとえば、レクリエーションのスキー用の在来の人工雪製造装置の使用では、氷の粒子が大気中への噴射の前に作られる。従って、雪を空気で吹き飛ばすことができる距離は制限される。空気過飽和水が高速で周囲空気の中へ噴射されるとき、流れが分散して微細なミストになった後、キャビテーション核が形成される。ガスの膨張中、流れが分散してミストになる間、或いは流れが分散してミストになった後に核が形成され、各滴の温度はガスの膨張の結果、下がる。
２０ｎｓの露光時間（キセノン コーポレーション）で顕微鏡によるストロボ写真により、ガス過飽和水の滴は気泡に変換されることが実例によって示された。もし、水の温度が高圧リザーバからの噴射時に０℃に近いならば、温度の降下により、各滴を氷或いは雪の粒子に変える。
水の高圧での使用は、水の氷点を降下させる付加的な利点を有する。例えば、１０⁵キロパスカル（１キロバール）で、水の氷点は約−１１℃である。かくして、水を０℃よりずっと下の温度で噴射させることができ、ガスの膨張は生じた氷の粒子をさらに低い温度まで冷す。空気で過飽和された水流の大気中への噴射を、在来の人工雪製造装置で達成できる距離よりずっと大きい距離に及ぶのに用いることができる。本発明の方法で、同じ面積を人工雪で覆うのに少ない機械ですみ、本発明の方法はより効率的であり、おそらく、人工雪製造のより経済的な手段であろう。
10．他の使用法
ガスで過飽和された液体の物理的性質及び化学的性質は、液体或いはガスのいずれの物理的性質及び化学的性質とも異なる。このような性質は多すぎて詳述することができないが、アルファベット順に、沸点、化学的ポテンシャル、圧縮性、密度、誘電率、エンタルピー、自由エネルギー、熱容量、磁気感受率、比熱、表面張力、熱伝導率及び粘性を含む。
ガス過飽和液体を比較的低圧で使用する能力は、本発明のすべての適用の基礎である。従って、ガス過飽和液体のいかなる物理的性質及び化学的性質の比較的低圧での使用も、本発明の範囲内に入る。

Claims (28)

1. ガス過飽和流体を送出系統からの気泡のない流出物としてガス排除環境へ噴出させる方法であって
   ａ．送出系統中の液体を静水圧的に圧縮して送出系統内からキャビテーション核を除去する段階と、
   ｂ．液体とガスを圧縮してガス過飽和液体を形成する段階と、
   ｃ．ガス過飽和液体を送出系統を通してガス欠乏環境へ、流出位置で又はその近くで流出物中にキャビテーション形成なく、噴射させる段階と、
   を有する上記方法。
2. 送出系統内のキャビテーション核が、該核の比較的低濃度を有する液体で静水圧圧縮によって除去される、請求の範囲１に記載の方法。
3. 送出系統内のキャビテーション核が、ガス過飽和流出物で静水圧圧縮によって除去される、請求の範囲１に記載の方法。
4. 送出系統内のキャビテーション核が送出系統の遠位端をキャップで塞ぎ、静水圧力を加えることによって除去される、請求の範囲１に記載の方法。
5. ガスが流体の圧縮に先立って、ガスの高い分圧で流体に溶解される、請求の範囲１に記載の方法。
6. 流体はガスの高い分圧に曝される前に静水圧的に圧縮される、請求の範囲１に記載の方法。
7. ガス及び流体の等分部分が一緒に静水圧的に圧縮される、請求の範囲１に記載の方法。
8. 静水圧圧縮が０．３乃至１．０キロバールの圧力の過渡的な付与後１０バール乃至１０キロバールの範囲にわたって変えられる、請求の範囲１に記載の方法。
9. 送出系統が、各々０．１ミクロン乃至１０cmの範囲の内径を有する流路を含む、請求の範囲１に記載の方法。
10. 流体は水である、請求の範囲１に記載の方法。
11. ガスは酸素である、請求の範囲１に記載の方法。
12. ガスは不活性ガスである、請求の範囲１に記載の方法。
13. ガスは空気である、請求の範囲１に記載の方法。
14. ガスは二酸化炭素である、請求の範囲１に記載の方法。
15. ガス欠乏環境は血液である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
16. ガス欠乏環境は生物反応器である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
17. ガス欠乏環境は廃水である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
18. ガス欠乏環境は飲料水である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
19. ガス欠乏環境は漁場である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
20. ガス欠乏環境は湖、池、流水、水泳プール、又は市営水道である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
21. ガス欠乏環境は木材パルプのスラリーである、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
22. ガス欠乏環境は溶融金属である、請求の範囲１０又は１１に記載の方法。
23. ガス欠乏環境は火及び燃焼を受ける材料である、請求の範囲１０又は１２に記載の方法。
24. ガス欠乏環境は化学反応器内である、請求の範囲１に記載の方法。
25. 空気過飽和水を０℃近くの温度で周囲空気中へ噴射して氷又は雪を生成する、請求の範囲１０又は１３に記載の方法。
26. ガス過飽和流体を送出系統からの気泡のない流出物としてガス排除環境へ噴出させる方法であって
    ａ．送出系統内のキャビテーション核の除去剤を含有する溶液で散布して送出系統内からキャビテーション核を除去する段階と、
    ｂ．液体とガスを圧縮してガス過飽和液体を形成する段階と、
    ｃ．ガス過飽和液体を送出系統を通してガス欠乏環境へ、流出位置で又はその近くで流出物中にキャビテーション形成なく、噴射させる段階と、
    を有する上記方法。
27. ガス過飽和流体を送出系統からの気泡のない流出物としてガス排除環境へ噴出させる方法であって
    ａ．送出系統内のキャビテーション核を電気化学的に除去する段階と、
    ｂ．液体とガスを圧縮してガス過飽和液体を形成する段階と、
    ｃ．ガス過飽和液体を送出系統を通してガス欠乏環境へ、流出位置で又はその近くで流出物中にキャビテーション形成なく、噴射させる段階と、
    を有する上記方法。
28. ガス過飽和流体を送出系統からの気泡のない流出物としてガス排除環境へ噴出させる方法であって
    ａ．送出系統を液体に浸漬させている間に真空を付与することによって送出系統内のキャビテーション核を除去する段階と、
    ｂ．液体とガスを圧縮してガス過飽和液体を形成する段階と、
    ｃ．ガス過飽和液体を送出系統を通してガス欠乏環境へ、流出位置で又はその近くで流出物中にキャビテーション形成なく、噴射させる段階と、
    を有する上記方法。

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