JP4975108B2 - 曝気および他の目的のための泡生成 - Google Patents

Description

本発明は、細かい泡の生成に関する。

液体中の気体の泡は、通常、排他的ではないが、気体を液体中に溶解させる目的のため、多くの異なる用途で往々にして要求される。任意の工業処理のように、液体中に気体を溶解させる場合において、泡が液面に達してこれが溶解せずに気体を放出することを伴わない可能な最も効率的な方法でこれを行うことが概ね望まれている。理想的には、その中の気体のすべてが溶解する前に泡が液面に到達すべきではない。効率を上げる１つの方法が泡の大きさを減らすことにあることは広く認識されている。より小さな泡の容積に対する表面積の割合はより大きく、溶解が極めて急速に起こる。さらに、小さな泡の表面張力は、この泡の中の気体の圧力が大きな泡のそれよりも相対的により高いことを意味し、気体がより急速に溶解するようになっている。しかも、小さな泡は大きな泡よりもゆっくりと上昇し、これは気体を泡から周囲の液体に移送するためのさらに多くの時間を提供する。さらに、これらはそれほど迅速には合体せず、より速く液面に上昇するより大きな泡が迅速に形成されないようになっている。

気体溶解を伴わない用途が油井にて適用され、上昇する泡はある特定の種類の坑井の表面に石油を移送することができる。ここでもまた、小さな泡が有利であり、これらをさらに大きくし、合体して望ましくない気体の大きなかたまりを上昇する石油中に形成するためである。

しかしながら、細かな泡に関連した付随的問題は、これらを作り出すことがかなり困難であるということである。大きな開口を通して小さな泡を形成することが困難なので、泡が液体に注入される開口の寸法を小さくすることが最初の段階である。だが、たとえそうであっても、小さな気体供給口を一様に設けた場合、泡が成長することによって大きな寸法になる可能性がある。泡の分離は動的な過程である。とにかく、このような開口寸法の低減は費用が嵩み、なぜなら細かな開口を通ってこの開口につながる通路を通る気体の流動摩擦抵抗は、より大きな圧力低下が求められることを意味するからである。泡の寸法が半球状を越えて泡が分離くびれを起こすことができると、泡が作られる。しかしながら、泡を最終的に分離させるためにより多くのエネルギーをこの段階で与える必要があり、これは概ね単により多くの気体をその中に押し込んでその大きさを増大させるだけで達成される。

実際に、概ね、泡はこれらが注入される開口の直径よりも小さな直径ではない可能性があり、泡の大きさを減少させることは、これをもたらすために必要なエネルギーを増大し、このシステムの効率がこれ以上改善されない限界を越えて達せられるようなものである。

さらなる問題は、泡が半球状を越えて成長すると、これらの中の圧力が低下するということである。この結果として、共通の供給源から並列的に成長する２つ以上の泡は、半球状を越えて不安定になる傾向がある。何が起こるかと言うと、半球状の段階を越えると、一方の泡が（多くの理由のため、例えば多分一方が圧力供給源により近く、それに応じたより少ない抵抗と泡構成を駆り立てるより大きな圧力とがあるために）隣接する他方よりもさらにずっと急速に成長するということである。寸法差があると、より小さな泡がより大きな圧力を持つという圧力差もまた、ある。この結果として、泡がつながっているので、より小さな泡はそれ自身の成長を利用してより大きな泡に膨張する。この結果は、多数の管路が共通の圧力供給源に接続されているうちのこれらの少数のみが過度に大きな泡を作り出すことになるということである。

この泡構成の不安定さは、１つの泡を開口の寸法に対応した大きさ以外にさせてしまう可能性がある。分離くびれおよび分離は動的な現象であり、不安定な泡が急速に成長した場合、これが分離する前に大きな寸法に達してしまう可能性がある。

制御されない泡の形成に関する他の問題は、小さな泡を形成するという特別な努力が直ちに無駄であるように、衝突する泡がしばしば合体するということである。理想的には、単分散の泡の合体を阻止するためにこれらの間に充分な間隙を与えるべきである。実際、合体につながる条件は、特定の場所や用途に関連した多くの要因による可能性があり、最も効率的な泡の生成を行うことができるように、泡生成システムの望ましい調整を可能とすべきである。

特許文献１および特許文献２の両方は、気体の出口開口の真正面に小さな開口を介して流れる液体の流れへと気体を注入することによって、相対的に大きな開口を用いた細かな泡の生成の問題を共に解決する。液体の流れは、気体用の出口開口よりもずっと狭く細い流れに気体を引き込み、小さな開口を超えた細かな泡を最終的に形成する。しかしながら、０.１〜１００ミクロンの泡が作り出されると述べられているけれども、物理的な構成が非常に複雑である。さらに、気体の出口開口が大きいけれども、気体が注入される液体は、小さな開口を通してこれを流すために必然的に加圧下にあり、従って気体の圧力もまた、必然的により高いことを意味し、利点のいくつかを軽減しなければならない。

多数の公開公報は、振動が泡の分離または特許文献３の場合には液滴の分離に役立つ可能性があることを認めている。この特許は、環状の排出開口の一方側を振動させることを示唆している。気体マトリックス中に液滴を作り出すことは、往々にして液体マトリックス中に気体の泡を作り出すのと同様な問題と見なすことができる。

特許文献４は、魚槽の曝気に関連し、開口が気体の運動の作用により振動して細かな泡を生じさせるフラップの間に開口する配管を通して空気を吹き込むことを具えている。

特許文献５は同様な構成を用いているが、鋼製のフラップと一体のキャビティの共鳴にも依存し、フラップの振動周波数を増大し、それによって泡の大きさをさらに減少させるようにしている。

特許文献６は、液体に吹き込まれる気体が通る孔をあけた薄膜の反対側を加圧して薄膜を振動させ、それによってより小さな泡が作り出される。

特許文献７は、疎水性の中空繊維薄膜から泡を剥離するようにした異なる方針を採用しており、ファイバを覆う水の体積流量を用いている。

特許文献８は、多孔質の「音管」構成を具えた汚水曝気装置内の空気に音波振動を加える構成を開示し、この管は空気流による音波を利用して振動させられる。この発明は、音管構成による曝気装置の振動に依存し、周囲の水による不可避の減衰のために入力したエネルギーの大部分を失ってしまう。

特許文献９もまた、用いられる曝気格子の上に空気ポンプを駆動するモーターを取り付けることにより、汚水処理のための曝気装置内の空気を振動させ、格子をモーターの固有振動で振動させてより小さな泡が結果として生ずるようになっている。特許文献１０は、格子が往復運動する構成によって振動すること以外、同様な構成を示している。

特許文献１１は、多孔質基材の表面を超音波振動させることを提案し、気体がその表面の上を流れる液体を伝って基材を通過する。

国際公開第９９/３１０１９号パンフレット 国際公開第９９/３０８１２号パンフレット ＥＰ１０９２５４１号明細書 ＳＵ１６１６５６１号明細書 ＧＢ１２８１６３０号明細書 ＵＳ４７９３７１４号明細書 ＵＳ５６７４４３３号明細書 ＧＢ２２７３７００号明細書 ＤＥ４４０５９６１号明細書 ＤＥ１９５３０６２５号明細書 特開２００３−２６５９３９号公報

上記から、処理される水に酸素を溶かすことが望まれる汚水処理産業において、小さな泡の生成の用途があることは明白である。これは、汚水を消化するバクテリアに呼吸を与えるためである。より多くの酸素をこれらが有するほど消化作用がより効率的になる。しかしながら、同様な要求がこれらを曝気処理のために散布する概ねバイオリアクターおよび発酵槽に存在する。特に、酵母製造産業はこの要求を持っており、酵母菌を成長させて再生産させることは、一定の酸素補給を呼吸目的ために必要とする。他の用途は、飲料中に二酸化炭素を溶解されることが望まれる飲料の炭化において存在する。小さな泡から利益を得るにもかかわらず、しかしながら気体を溶解することに頼らない処理は、石油がほとんど残っていないか、あるいは砂の中に閉じ込められた石油を有するいくつかの現場での引き上げにくい埋蔵石油の採掘にある。実際、カナダの埋蔵石油の大部分が油砂の形態にある。このような埋蔵含油を通して気体を泡にすることは、泡が重力下で上昇してこれと共に石油を運ぶので、石油を引き上げる効果を有する。泡が水中に形成されて坑井、すなわち埋蔵石油へと送り込まれ、これが埋蔵石油を通過するので、石油は個々の泡の気体と水との間の境界に運ばれる。泡がより小さいほど石油を移送するための相対的な表面積がより大きくなる。

従来技術の構成を改良することが本発明の目的である。

本発明の最も広い形態によると、気体の小さな泡を液体中に作り出す方法が提供され、これは加圧気体の供給源を用意するステップと、前記気体よりも低圧の液体中に開口し、内部に前記気体が介在する管路を用意するステップと、振動する前記気体の何らかの反作用による以外に前記管路を振動させることなく、この管路内を伝わる前記気体を振動させるステップとを具え、前記振動が流体発振器によってもたらされ、発生する泡の１０から３０％が気体へと逆流するようになっていることを特徴とする。

従って、このシステムの全エネルギーは、気体が通る管路ではなくて気体を振動させることにあり、それによってこのシステムの効率を最大にすることができる。ずっと大きな質量を有し、その結果として振動させるためにより多くのエネルギーを必要とする管路を振動させることにエネルギーが消費されない。どのような共鳴にもかかわらず、摩擦が用いたエネルギーの大きさをさらに明らかにする。曝気システムのモーターおよび圧縮器の「廃棄」振動を用いる特許文献９の場合において、モーターおよび圧縮器を結果として、水面下の曝気格子に取り付けなければならない。

特許文献８および特許文献１１でそれぞれ示唆されたような音波および超音波の振動は高周波数であり、泡の生成において同様に効率的ではない可能性がある。高いエネルギーを与えることができるけれども、泡の最も有効な分離は、より高い周波数ではなく、むしろより長いストローク（より大きな振幅）の振動を伴う。

好ましくは、形成される泡の直径が０.０３と２mmとの間、より好ましくは０.０５と０.１mmの間にある。

好ましくは、前記振動は、発生する泡の３０％以下が気体へと逆流するようになっている。実際、前記振動は、発生する泡から０％および２０％の間の気体の逆流を有するような種類であることが好ましい。これは、流体発振器が２つの通路の間の流れを分割する構成によって好ましくは与えられ、少なくとも一方の前記通路が前記供給源を形成する。この場合、流れは、矩形波にて周期的に途絶える流れを前方向のみ伴う流れが主であり、本質的に流れがない矩形波のベースを形成する。

ここで、逆流は、ｘm³s^-1の前記管路からの正の気体流量のことを意味し、(ｘ＋ｙ)m³s^-1が正の方向にあるのに対し、(−ｙ)m³s^-1が負の方向にあり、１００(ｙ/(ｙ＋ｘ))が逆流の百分率として規定される。特に、流れが通路間で分かれる構成に関し、常に多少の反動があるので、多少の逆流が通常、不可避である。実際、このようなものも、圧力の除去に伴い、泡の中の背圧が多少の逆流をもたらす傾向があるので、泡の生成と同じ傾向である。実際、ここでの逆流は管路の開口でのことを意味し、なぜなら逆流が気体の圧縮性によって変動できるためである。

好ましくは、流体発振器は、個々の出力ポートへと分岐する供給ポートを介して一定圧力の前記気体が供給され、一方の出力ポートから他方の出力ポートまでの流れを振動させる手段を含む分流器を具えている。好ましくは、前記手段が個々の制御ポートによって制御される個々の出力ポートを具えている。好ましくは、制御ポートは閉じた制御ループによって相互に接続している。代わりに、個々の出力ポートの分岐を前記個々の制御ポートのそれぞれに与えることができ、それによって出力ポートにおける流れの一部がその出力ポートから他の出力ポートへの供給流れを切り替える制御流れになる。

制御ループを用いる場合、制御ポートは、気体がその個々の出力ポートを通って流れる場合に減少した圧力を有し、その個々の出力ポートを通る流れがない場合に増大した圧力を有するようにそれぞれ配される。その結果として、気体が制御ポートから流出すると、これは制御ポートが形成された壁から気体の主たる供給流れを引き離し、壁に関係する出力ポートからの他の出力ポートへと流れを切り替え、供給ポートからの主たる流れをこの他の出力ポートに関係する壁へと付随させ、それでこの状況は、供給ポートからの主たる流れを切り替え、制御ループの長さを含む多くの要因によって決定される周波数にて前記出力ポートの間でこれを振動させる。

好ましくは、前記管路が少なくとも２つあり、個々の出力ポートが前記管路の一方または他方に接続している。

前記閉ループの長さを変更することによって、振動の周波数を調整することができる。

好ましくは、前記振動する気体の体積流量は、前記複数の管路を同時に与えることができるのに充分である。好ましくは、それぞれの振動周期に対する体積流量割合は、管路のそれぞれにて振動が切り替えられる前に少なくとも半球の大きさまで泡を満たすのに充分であり、すべての泡が圧力の破壊によって管路から分離される前にほぼ同じ大きさを有するようになっている。

特定の理論によって束縛されることを望まず、管路の開口を横切る平面からの泡の最初の成長が半球状に向けて加速し、開口から離れて位置する液体に運動を与えると信じられている。通常、より多くの気体が供給されるので、泡は単純に成長し、後退する液体の運動は、減速しているにもかかわらず、泡半径の成長比率が泡内の気体の体積の立方根に比例しているので、継続する。しかしながら、泡への気体の供給が突然絶たれると、動的な分離状況が観察され、それによって泡は管路に「剥ぎ取られ」る。従って、泡はずっと小さな大きさに形成され、さもなければ圧力を満たした安定状態で存在しよう。

管路は、この管路が形成された材料の表面にて液体中に開口することが好ましく、前記表面は重力に関してほぼ垂直な面にある。管路を囲む材料の表面の性質により管路に関して横切って上昇する泡の傾向は、振動のそれぞれの終端にて泡がはね返るので、ちぎり取り効果をもたらす働きをすることが判明している。実際、ある実験において、管路を含む表面が水平だった場合、直径５００ミクロンの直径の泡が作り出され、なおかつ、他のすべてのものを同一にして表面の向きを９０度変えることにより、１０分の１の直径の泡が得られた。

好ましくは、前記管路は、閉じたスリットを有する薄膜を具え、この薄膜の後方の気体の圧力は、スリットを膨張させて気体の泡がスリットを通って形成するのを可能にするのに役立ち、前記スリットは泡の後方を閉じ、前記気体の流れの振動は、小さな泡の形成を助長するために圧力と、流速と、薄膜の弾性振幅および周波数とに関して同期する。この点において、気体の一定な圧力に関し、このような薄膜ディフューザーの操作モードが振動し、その結果として気体の振動を同期させることができ、スリットの後方の圧力が低下すると、気体のほとんどがすでにスリットを通り抜け、泡は、スリットが閉じる前にそれ自身の表面張力によってスリットを通って戻ることができないようになっている。

この点に関し、管路が形成される表面の材料は、泡がこれに付着する傾向を持たないように、好ましくは気体で濡らすことができないものである。この点においてガラスが適当な材料であるけれども、テフロン（登録商標）の如き他の材料もまた、適当である。

本発明は、加圧気体の供給源と、この供給源により供給され、前記液体中に開口する複数の管路を含む１つ以上の泡発生装置とを具えた既存の装置への後付けを可能にする。この場合、気体発振器が供給源と泡発生装置との間に配される。好ましくは、前記泡発生装置は、前記気体の供給源に接続するチャンバと、このチャンバを前記液体から分離させると共に前記複数の管路を具えた当該チャンバの多孔質壁とを具えている。前記管路が前記壁に形成した開口であってよい。壁は、金属、例えば前記管路がこの金属中の小孔である焼結合金であってよい。代わりに、壁が多孔質セラミックスであり、管路がこのセラミックの小孔であってよい。

本発明の他の形態は、極めて小さな泡が極めて均一な大きさの分布を持つ場合、特に好ましい可能性がある他の構成を提供し、振動する気体の一方の局面は、振動の他方の局面における泡の形成後に管路中に液体を駆動するために用いられ、それにより前記泡が前記駆動される液体の力によって分離される。これは、前記管路の出力ポートのそれぞれが、傾斜した角度にて相互に向かい合うように、好ましくは相互に直角に配され、一方の出力ポートに液体が充填されるように維持される分流器に関する上述の構成によって好ましくは与えられる。従って、第１の出力ポートがその管路の開口にて泡を満たすのに対し、第２の局面にて、液体が他の管路の外に駆動され、第１の管路に形成された泡を剥離させる。この構成は、複数の管路、すなわち気体の管路を１つの出力ポートから並列に与え、同様な複数の管路、すなわち液体の管路を気体管路の反対側に配して他の出力ポートにより並列に与えた場合、特に好適である。気体管路表面の泡は、与えられたほぼ等しい大きさにすべて安定して形成され、これらの大きさが半球状をほとんど越えず、液体の管路によって駆動される液体の運動力がない場合よりも速やかに払い落とすことができる。このような構成は、泡がこれらを形成する開口に対してこれらの付着を払い落とすので、払い落としシステムとして都合よく呼称される。

好適な構成は、２つの平行なマニホールドを有する板であって、前記マニホールドが前記液体と接するこの板の表面と平行であって前記分流器の個々の出力ポートによって与えられる板と、前記表面にあって前記マニホールドの間にこれらと平行に配される溝と、この溝の反対側から前記マニホールドへと導く管路とを具えている。好ましくは、溝はＶ字形状である。好ましくは、このＶ字形状の溝が直角である。

好ましくは、前記液体の管路を与えるマニホールドに送り込む分流器の出力に排気弁が設けられ、それにより前記液体の管路が前記液体で充填される。

従って、流速および振動周波数が現場で容易に調整可能な所定の流体発振器に関し、泡生成の最も理想的な構成（すなわち大きさおよび分布）を特定の環境に応じて調整することができ、それによって泡の最適な大きさおよび空間分布を調整することができる。

理論上、液体の粘性が泡形成過程に悪影響を与えるべきではないが、 この払い落としシステムをより高粘性の液体に適用する場合、異なる仕組みを観察することができ、粘性のより低い液体においても適用できる可能性があるが、 低い粘性の液体に対するより高い周波数での操作に関し、これはそれほど容易に観察されない可能性がある。実際、本発明の第４の形態は、これの代わりの構成に向けられており、本発明の第１の形態の作用をも説明することができる。

本発明による方法にて気体を振動させるのに適当な分流器の平面図である。 図１に示した分流器の一構成のフィードバックループ長に対して描かれた振動周波数のグラフである。 ２つの異なる直径の管路開口による泡容積に対する泡の圧力のグラフである。 本発明の別な構成の泡発生板を示す図である。 図４に示した泡発生板の液体および気体の管路の相対的な寸法形状を示す端面図である。 図４および図５の泡発生板を用いた全体構成の概略図である。 本発明の好ましい一実施形態の全体構成の概略図である。 図７のシステムの泡発生装置の断面図である。 本発明の第４の形態による泡発生装置の断面図である。 本発明による方法で用いられるディフューザーの概略的な立体投影図である。 泡のちぎり取りを示す側断面図である。 泡の発現を示す可撓性の薄膜の個々の断面図(ａ)〜(ｅ)である。 図１１ａに示した泡形成のそれぞれの段階での薄膜間の気体/液体の差圧ΔＰのグラフである。

例示による本発明の実施形態が添付図面を参照して以下にさらに記述される。

図１において、流体分流器１０が断面にて示され、これは１４で概ね示す通路が形成されたブロック１２を具えている。入口通路１４ａは、入口ポート１８によってこれと接続する加圧流体の供給源１６を有する。２つの出口通路１４ｂ，１４ｃが入口通路１４ａから分岐している。２つの制御通路１４ｄ，１４ｅが２つの出口通路１４ｂ，１４ｃの間の分岐部１４ｆの直前の入口通路の片側で相互に対向している。閉ループ管路２２によって相互に接続する制御ポート２０ｄ，２０ｆにより制御通路が与えられている。流体が入口通路１４ａを伝わって分岐する分岐部１４ｆに流入すると、これはコアンダー効果の影響により一方側または他方側にまといつく傾向があり、出口通路１４ｂ，１４ｃの一方または他方へ選択的に流入する。実際、この効果は非常に強く、出口通路１４ｂ，１４ｃの上流に圧力領域を与えることが好ましく、入口通路１４ａ内の流れの９０％以上が出口通路１４ｂ，１４ｃの一方または他方に流入しよう。出口通路１４ｂ，１４ｃは、個々の出口ポートＡ，Ｂに接続している。

例えば、出口通路１４ｂへの流れが支配的な場合、流体の流れは、入口通路１４ａの壁１４ｇにしっかりと従って制御通路１４ｄの開口を横切り、ベンチュリー効果によってこの通路の圧力をそれなりに低減させる。逆の言い方をすれば、制御通路１４ｅ付近にはそれほど多くの流れがない。その結果として、差圧が制御ループ２２にもたらされ、流体が制御ポート２０ｆから流出して制御ループ２２を回り、制御ポート２０ｄへと流入する。結局、制御通路１４ｄの外に出る流れは、入口通路１４ａから出口通路１４ｂへの流れが制御通路１４ｄの開口を含む壁１４ｇから離れ、代わりに対向する壁１４ｈに沿う傾向が強くなり、その後、この流れが通路１４ｃへと切り替わる。それから、逆の状態の関係があり、制御ポート１４ｅ内の圧力が減圧すると共に制御ポート１４ｄ内の圧力が次第に高くなり、その後、制御ループ２２内の流れが同じように切り替わる。従って、この構成は、ループ２２の長さを含むいくつかの要因に依存した周知の方法で振動させ、この長さは制御流れの慣性およびこれが切り替わる速度に変化をもたらす。このシステムの幾何学的構成を含む他の要因や、出口からの背圧および分流器１０を通る流れもまた、周波数に変化をもたらす。

図１に示した構成は、通路１４の輪郭形状をレーザーで切断すると共にそれぞれ約１.２mmの厚さの Perspec(登録商標)板を数枚積層したものを好ましくは具えている。上および底のカバー板が通路１４を塞いでこれを完成させ、この積層体を相互に保持し、底（または上）のカバー板にポート１８，２０ｄ，２０ｆ，ＡおよびＢが設けられている。しかしながら、この構成を事実上、拡大することは実験的に示されており、当業者の範囲内にある。

図２は、図１の分流器内の流体として空気を用い、１０mmの内径の合成樹脂材料の制御ループと毎分１０リットルの空気流とを持つ１つのシステムの発振周波数の変化を示している。５と２５Ｈzとの間の周波数が容易に達成されている。しかも、この構成は、空気流を実質的にこの範囲の振動周波数にするために拡大可能である。

分流器１０の出力ポートＡ，Ｂが図７に概略的に示す如き構成１００の泡ディフューザー３０に接続している場合、一定流速で同じ量を用いた場合よりも、より細かな泡が作り出される。数個のディフューザー３０が出口ポートＡ，Ｂのそれぞれに対して適当な配管１７により並列に接続されている。さらに、泡がより細かいため、大きな泡がほとんど作り出されず、これらは振動する空気の供給によってより早く離脱する。

好ましいディフューザー３０が図８に示され、これは、配管１７に接続する中央入口開口３４を持った浅い中空の円筒形状のハウジング３２を具えている。ハウジング３２によって形成されるチャンバ３６は、セラミックや焼結金属であってよい多孔質の円板３８によって閉じられている。このような泡ディフューザーは知られており、水処理産業で使用され、このような製品は、例えば米国ミズーリ州コロンビアの Environmental Dynamics 社の部門である Diffuser Express から入手可能である。

実際、図７に関して現在の汚水処理産業ではもう使われていない唯一の部分が分流器１０であり、本発明の構造は、適当な寸法および形状の分流器１０をディフューザー３０の既存のネットワークへの供給源に介在させることによって、本発明の方法を単に既存の設備へと後付けする好機をもたらす。もちろん、他の形式のディフューザーが存在し、これらを本発明に適用させることが可能である。

上述したように、汚水処理を参照して記述したけれども、本発明は気体を液体へと拡散させる必要がある他の多くの分野において適用可能である。効率を追求する場合以外の汚水処理状況において、泡の大きさの一様性またはそれらの絶対的な大きさの最小化は絶対必要ではない可能性がある。むしろ、構成を後付けする適応性がより重要である可能性がある。しかしながら、新規の設備において、または特別な理由や、非常に小さな泡の寸法および極めて均一な泡の寸法分布が望まれる他の用途において、図４および図５に示した構成を用いることができる。

図３を最初に参照すると、２つの異なる寸法の開口（０.６および１.０mm）から形成された泡の大きさに対する内圧について２つの図表で示してある。この内圧は、泡が半球形状に達するまで容積の増大に伴ってほぼ直線状に増大する。しかしながら、その後、泡がさらに成長すると圧力が減少する。従って、任意の所与の圧力において、泡は２つの大きさを有することができる。しかしながら、より重要なことに、２つの泡が共通の供給源によって相互に並列に与えられた２つのポートから成長する場合、泡の大きさの成長に伴って圧力が増大するので、並列的な２つの泡の成長が安定する。しかしながら、泡が半球状に達すると、安定した成長が終って１つの泡が成長し続けるので、その圧力は減少する。その結果として、一方が半球状に達して最初を越えるような２つの泡の成長の間に何らかのアンバランスがあった場合、成長が遅い方の泡の圧力は、成長が速い泡よりも低いというよりも、むしろ高くなろう。その結果として起こることは、より成長が早い泡がより大きくなり、より遅く成長する泡がより小さくなり、そして決して離脱しない可能性があるということである。

図４および図５において、ディフューザー５０は、直角の溝５６が形成された上面５４を有する板５２を具え、溝の側面５８，６０のそれぞれが上面５４に対して４５°に傾けられている。表面の下にこれと平行にあるのは、２つの供給通路６２，６４であり、これらもまた、平行に配され、その一方が溝５６の何れか一方側に配されている。複数のポート６２ａ，６４ａが通路のそれぞれから立ち上がっている。ポート６４ａは相対的に狭く、溝５６の側面６０の中間に開口している。ポート６２ａは相対的に広く、溝５６の底に開口している。ポート６２ａと同じ数のポート６４ａがあり、ポート６２ａのそれぞれが対応するポート６４ａの反対側に配されている。さらに、ポート６２ａからの流体の排出方向が溝５６の側面６０と平行となるように、通路６２およびポート６２ａが配されている。

通路６２は、通路６４よりも大きくてよいが、ポート６２ａはポート６２ｂよりも確実に大きい。この理由は、通路６２が液体を流すために配され、ディフューザー６０内にこの液体が置かれているためである。他方、通路６４は気体を流す。この構成は、気体ポート６２ｂの直径が形成される泡の望ましい大きさに応じて小さく、ポート６４ａを形成するために用いられる技術に依存して多分０.５mm以下の如き小ささである。Perspex（登録商標）型の材料において、およそ０.５mmの穴を機械的に穿設することができるが、望むのであれば、さらに小さな穴を作るための他の方法が存在する。

図６を参照すると、液体８２のタンク８０は、ディフューザー５０をその底部に有する。気体の供給源１６は、図１に示す種類の分流器１０に加圧気体を供給し、２つの出力Ａ，Ｂが個々の通路６４，６２に対して個々の経路８６，８８により接続している。しかしながら、出口接続Ａおよび経路８６が塞がれるのに対し、接続Ｂはタンク８０の上方の環境への吹き出し８４を有し、その圧力が周囲の圧力とほぼ同じになるようになっている。その結果として、経路８８がタンク８０内の液体の高さまで液体で満たされる。実際、空気の供給源１６を止めた場合、出口Ａがそのようになり、その結果として分流器１０はタンク内の液面の上方に位置する。

しかしながら、空気の供給源１６が投入された場合、分岐Ａ内の圧力はふらつくけれども供給圧の半分まで高くなり、これはタンク８０の底の静水圧よりも大きくなるように構成され、空気が最終的に通路６４を伝わり、液体８２内に泡９０を形成するポート６４ａを出るようになっている。圧力の脈動が出口Ｂに達すると、圧力の脈動を液体の流れへと、そして通路６２へと、そして個々のポート６２ａの外へと伝える弁９４によって吹き出し８４が制御されるので、経路８８内の液面が下がる。しかしながら、分流器が流れを切り替えて出口Ａに戻す場合、タンク８２内の静水圧がポート６２ａを通って液体を戻し、これを経路８８に再び満たす。流れが再び出口Ｂに切り替わるまで圧力出口８８が雰囲気圧であるように、経路８８が完全に再充填されるかどうかは、純粋に設計事項である。経路８８内の圧力が実質的にタンク８０の底部に近い静水圧の場合にのみ、弁９４を通って気体を充分に流出させるように、経路８８内に実質的な圧力があるように構成することができる。とにかく、液面を上下に振動させて気体の供給が出力Ｂにおよび出力Ｂから切り替えられるように、経路８８内の液面をタンクの上端と底との間のどこかの場所に配する必要がある。

ポート６２ａは、流れに対して増大する液体の抵抗のためのみならず、狭い流れジェットよりもむしろ、大きな流れの脈動が離脱する泡に関してより好ましいので、より大きい。

出力Ａ，Ｂにおける背圧状況は、これが分流器１０の振動と逆に干渉しないように構成され、出力Ａへのパルスのそれぞれは、半球状の泡が個々のポート６４ａのそれぞれの開口に形成されるように構成される。パルスが出力Ｂに切り替わると、水のジェットがポート６２ａのそれぞれの開口から流出し、ポート６４ａの泡の側方に導かれてこれらを払い落とす。従って、このようにして形成された泡９０は、非常に小さいか、さもなければ少なくともこれらが予想されるよりもずっと小さく、極めて均一な大きさの分布を持つ。

上述した構成を水の如き相対的に低い粘性の液体で用いる場合、これは極めて具合よく機能する。しかしながら、これを油の如き粘性のより高い液体で用いた場合、異なる仕組みが観察され、本発明の別な構成（図９に示され、かつ以下にさらに記述される）と、図７および図８を参照して記述された後付け状況における気体の振動がなぜうまく起こることができるのか、または図４〜図６を参照して記述した構成が実際にどのように機能することができるかについての別な説明の可能性とをもたらす。

図９は、板１２'が管路６４'を有する気泡発生装置１０００を示し、この管路６４'は泡が形成される液体８２にこれを接続する複数のポート６４ａ'を有する。管路６４'は、ポート６４ａ'の液体の圧力よりも高い加圧気体の供給源に配管８６'を介して接続し、それで管路６４'に沿った気体の正の流れがある。しかしながら、同時に、気体もまた、図１の分流器１０の如き流動機構（図９に図示せず）によって振動する。

液体８２としてモーター油の如き高粘性の液体に関し、この振動は、液体の一部がポート９５の一部を通って管路６４'へと流入可能となることを認めることができる。その正確な仕組みは、まだ説明されていないけれども、いくつかのポート（例えばポート９５ａ）を通って液体を引き込む管路６４'を周期的に通る気体の高速流動のベンチュリー効果による可能性があり、あるいはこれが気体の圧力周期での低圧の振動段階およびこの時点における相対的に高圧な液体のためである可能性がある。とにかく、それにもかかわらず、管路６４'を通ってポート６４ａ'の外への気体の正の流れがあるにもかかわらず、液体の栓９７が管路に出現してこれに沿って進み、気体の正の流れによって駆動される。これらが管路に沿って移動するので、これらはポート（例えばポート９５ｂ）の開口９８を次第に閉じ、液体はすでに気体があるポートのこの気体の後方に入る。液体の栓がポートの開口端９９にて液体８２に接すると、このポートの気/液界面は、やがて気体により形成される泡１０１の気/液界面を完成する。その結果として、これが容易にポート９５ｂから離れて液体８２中に放出される。

この仕組みに関し、傾斜した一連の泡がポート６４ａ'から上昇するが、このようないくつかの流れの可能性は、（例えば栓が一連の泡１０５を押し出すのに大部分を使い尽くし、液体８２中にその容積の一部を失う１０３で示すような）いくつかの栓９７が形成される場合である。そして、図示した新たな栓１０７が管路６４'へと引き込まれる。

このような仕組みを低粘性のシステムで機能させる場合、（この仕組みがこのようなシステムのとりわけより大きな周波数の操作によって観察することがより困難であり）、その場合には、図４〜図６に示す上述した払い落としシステムの操作モードが完了しないか、または完全に適正ですらない可能性がある。しかしながら、当業者は所与の用途の特別な要求に適した構成を見つけ出すことができる。実際、図９を参照して上述した理論が正しい場合、これは振動する気体がなぜ細かな泡を作り出すかについて説明することができる。これらを作り出すことができるのは、振動が上述したように出口ポートの開口端から泡を引き寄せる液体の慣性運動を本質的にもたらし、泡をちぎり取るためではなく、どちらかと言えば得られた液体の栓がこのシステムの中に入って泡を後方から押し出すためである。

図１０において、ガラス製のディフューザー１５０が向かい合わせて密着させた２つのガラス製シート１５２，１５４から作られており、一方のシート１５４には溝１５６，１５８がエッチングされており、図のように連結した場合、ディフューザー１５０の表面１６０に開口するいくつかの小さな管路１５８が大きな管路１５６から分岐して形成されるようになっている。使用中、（図１に示し、かつこれを参照して上述した如く）分流器の一方の分岐に接続している場合、泡は個々の管路１５８の開口１６２に形成される。経路１５８の深さおよび幅が約６０ミクロンある場合、対応する直径の泡が管路１５８から押し出される。気体の流れが上述したように振動する場合、その大きさの泡が分離する。しかしながら、表面１６０を水平にした場合、これは形成されるべきものよりもずっと大きな丸い５００ミクロンの泡が実際に形成可能であり、泡を開口にくっつけるようにする表面張力により、振動にもかかわらず、移動する多量の液体が最終的に泡を分離するまで、これは単に成長する。しかしながら、図１０ａ，図１０ｂに示すように、表面１６０を垂直に向けた場合、第１または第２の振動で跳ね返る泡は、開口に対してまともに嵌合しないが、重力によって上方にゆがめられ、これは泡をずっと早くちぎり取るという結果になる。これは、特にディフューザー１５０の材料が気体に関する限り、べたつきがない場合に関係し、これは気体が空気であってガラスに対する場合である。テフロン（登録商標）の如きべたつかない材料に対する場合も同様である。従って、５０〜１００ミクロン単位の泡以外に何も作り出すことができない。

図１１を参照すると、図７および図８に示すものの如き汚水浄化にて用いるいくつかの既存のディフューザーは、これを突っ切る多数のスリットを持った薄膜（図８および図１１ａ中の３８）を有している。この動作モードは、気体が一様な流れの場合であっても、圧力が薄膜を膨張させてスリットを開くので、また泡がちぎり取られて新たな泡が生ずる前にスリットの開口の多少の反動があるので、ある程度すでに振動性である。しかしながら、図１１ａおよび振動する気体の圧力を参照すると、スリット１７０間の差圧ΔＰは（ａ）に示すようにゼロから増加する。（ｂ）において、気体が膜３８を撓ませ始め、これは泡９０の形成を開始しているスリットを介して押し出される。圧力が増大し続けるため、薄膜は（ｃ）に示すようにさらに変形して泡の成長を速める。しかしながら、この時点で差圧が低減し始め、可撓性薄膜の固有の反動が助長され、（ｄ）に示すように泡９０を塞ぐようになっている。最終的に、薄膜は差圧がゼロで（ａ）および（ｅ）に示した位置に戻るが、後者において泡９０を放出する。

気体の流れの振動を薄膜の弾性共振に一致させることにより、小さな泡の形成がわずかなエネルギー消費にて可能である。図１１ｂは、流体装置および切り裂いた薄膜の両方の潜在的な結果である好ましい矩形波圧力の発現形状を示し、図１１ａに示した泡発現の個々の段階での潜在的圧力位置を示している。

この明細書の発明の詳細な説明および特許請求の範囲を通じ、「具える」および「含む」ならびにこれらの用語の変化形、例えば「具えている」および「具え」は、「含んでいるがこれに限定されない」ことを意味し、他の部分や付加物，部品，整数またはステップを除外することを意図していない（し、また除外しない）。

この明細書の発明の詳細な説明および特許請求の範囲を通じて単数形は複数形を包含し、さもなければ前後関係を必要する場合を除く。特に、不特定な部材を用いた場合、この明細書は、複数を単数と同様に意図しているように、さもなければ前後関係が必要な場合を除いて理解されるべきである。

本発明の特定な形態や実施形態または実施例と共に記述した特徴，整数，特性，化合物，実施形態，化学的な成分またはグループは、これと両立しない場合を除き、ここに記述したあらゆる他の形態や実施形態または実施例のすべてに適用可能であることを理解すべきである。

読者の注意は、この出願に関するこの明細書と同時またはこれよりも前に提出され、またこの明細書を縦覧するために公開されたすべての書類および文献に向けられ、このような書類および文献のすべての内容は、参照することによってこの明細書に組み入れられる。

この明細書（添付した特許請求の範囲や要約書および図面のすべてを含む）に開示されたすべての特徴および／または同じように開示された方法またはすべてのステップは、このような特徴および／またはステップの少なくとも一部が相互に相反する組み合わせを除き、あらゆる組み合わせにて組み合わせることができる。

この明細書（添付した特許請求の範囲や要約書および図面のすべてを含む）に開示された特徴のそれぞれは、同一または均等あるいは同様な目的を満たすか、さもなければ特別に述べられている場合を除き、他の特徴によって置き換えることができる。従って、特別に述べられている場合を除き、開示された特徴のそれぞれは、一連の均等または同様な一般的特徴の単なる一例である。

本発明は、前述のどの実施形態の細部にも制限されない。本発明は、この明細書（添付した特許請求の範囲や要約書および図面のすべてを含む）に開示された特徴のあらゆる新奇なもの、またはあらゆる新奇な組み合わせ、あるいは同じように開示された方法または処理のすべてのステップのあらゆる新奇なもの、またはあらゆる新奇な組み合わせにまで及んでいる。

Claims (21)

1. 気体の小さな泡を液体中に作り出す方法であって、
   加圧気体の供給源を用意するステップと、
   前記気体よりも低圧の液体中に開口し、内部に前記気体が介在する管路を用意するステップと、
   ２つの通路の間で気体の流れを振動させる機構を有する流体発振器によって前記管路内を伝わる前記気体を振動させるステップと
   を具え、少なくとも一方の前記通路が前記加圧気体の供給源を形成し、発生する泡の一部が気体へと逆流するようになっていることを特徴とする方法。
2. 前記流体発振器は、前記加圧気体の供給源に接続する供給ポートと、この供給ポートから分かれる少なくとも２つの出力ポートと、前記供給ポート内を流れる気体を一方の出力ポートから他方の出力ポートまで振動させる手段とを有する分流器を具えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記手段が個々の制御ポートによって制御される個々の出力ポートを具え、これら個々の制御ポートが閉ループによって相互に接続され、それぞれの制御ポートは、それらの個々の出力ポートを通って前記気体が流れる場合に圧力が低下すると共に前記気体がそれらの個々の出力ポートを流れない場合に圧力が増大し、かつ前記気体が一方の制御ポートからその出力ポートへと流出する場合に前記気体の流れがその出力ポートから他方の出力ポートへと切り替わるように配され、それによって前記供給ポートへの流れが前記出力ポートの間で振動することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記管路が少なくとも２つあり、個々の出力ポートの一方が前記管路の一方に接続していると共に個々の出力ポートの他方が前記管路の他方に接続していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の方法。
5. 前記管路は、これを形成する材料の表面にて液体中に開口し、前記表面がほぼ鉛直であり、当該管路を形成する前記材料は、その表面に泡が付着しにくい材料であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の方法。
6. 前記材料がガラスまたはテフロン（登録商標）であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記振動する気体の体積流量は、この気体を前記複数の管路に同時に供給し得るような量であり、振動周期のそれぞれにおける体積流量割合は、振動が切り替えられる前に少なくとも半球状の大きさになる１つの泡がそれぞれの管路を満たし得るような割合であり、圧力のバランスが崩れてすべての泡が管路から切り離される前にほぼ同じ大きさを有するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の方法。
8. 前記管路は、常閉のスリットを有する薄膜を具え、前記管路における気体の流れ方向に対して薄膜よりも上流側の気体の圧力は、薄膜を膨張させてスリットを開き、気体の泡がスリットを通って形成され、前記スリットが泡の分離を可能にするのに役立つことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の方法。
9. 前記管路の出力ポートの一方と他方とが傾斜した角度にて相互に向かい合うように配され、一方の出力ポートに液体が充填されるように維持され、振動する気体は、一方において泡の形成のために用いられ、他方において泡の形成後に管路に介在する液体を駆動するために用いられ、これにより前記泡が前記駆動される液体の力によって分離されることを特徴とする請求項４から請求項８の何れかに記載の方法。
10. 前記振動は、一方において第１の出力ポートの管路の開口にて泡を満たすのに対し、他方において液体が他の管路の外に駆動され、第１の管路に形成された泡を剥離させることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 複数の管路があり、これらは１つの出力ポートから並列に供給される気体の管路であり、液体の管路である同様な複数の管路が前記気体の管路の反対側に配され、他の出力ポートにより並列に液体が供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 請求項１から請求項１１の何れかに記載の方法を実行するための泡発生装置であって、
    加圧気体の供給源と、
    この供給源に接続し、前記気体よりも低い圧力の下で液体中に開口する管路と、
    この管路内にあって、前記管路内を伝わる前記気体を振動させるために気体の流れを２つの通路の間で振動させる機構を有する流体発振器と
    を具え、少なくとも一方の前記通路が前記加圧気体の供給源を形成し、発生する泡の一部が気体へと逆流するようになっていることを特徴とする泡発生装置。
13. 前記流体発振器は、前記供給源に接続する供給ポートと、この供給ポートから分かれる少なくとも２つの出力ポートと、前記供給ポート内を流れる気体を一方の出力ポートから他方の出力ポートまで振動させる手段とを有する分流器を具えていることを特徴とする請求項１２に記載の泡発生装置。
14. 前記手段が出力ポートのそれぞれに連通する個々の制御ポートを具え、これら個々の制御ポートが閉ループによって相互に接続され、気体が供給ポート内を流れる場合、前記制御ポートは、前記気体がその個々の出力ポートを通って流れると制御ポートのそれぞれの気体の圧力が低下し、その個々の出力ポートを通って流れる気体がないと気体の圧力が増大し、かつ前記気体が一方の制御ポートからその出力ポートへと流出する場合に前記気体の流れがその出力ポートから他の出力ポートへと切り替わるように配され、それによって前記供給ポートへの流れが前記出力ポートの間で振動することを特徴とする請求項１３に記載の泡発生装置。
15. 前記管路は、常閉のスリットを有する薄膜を具え、前記管路における気体の流れ方向に対して薄膜よりも上流側の気体の圧力は、薄膜を膨張させてスリットを開き、気体の泡がスリットを通って形成され、前記スリットが泡の分離を可能にするのに役立つことを特徴とする請求項１２から請求項１４の何れかに記載の泡発生装置。
16. 前記流体発振器は、前記気体を５と５０Ｈzとの間の周波数にて振動させることを特徴とする請求項１２から請求項１５の何れかに記載の泡発生装置。
17. 前記管路は、これを形成する材料の表面にて液体中に開口し、この表面がほぼ鉛直であり、当該管路を形成する材料は、その表面に泡が付着しにくい材料であることを特徴とする請求項１２から請求項１６の何れかに記載の泡発生装置。
18. 液体に接する表面を持った板と、この板の前記表面と平行に当該板に形成されて液体が導かれる第１のマニホールドと、この第１のマニホールドと平行に前記板に形成されて気体が導かれる第２のマニホールドと、これら２つのマニホールドと平行に前記板の表面に形成された一対の側面を有する溝と、前記第１のマニホールドに連通して前記溝の一方の側面に開口するように前記板に形成された第１の管路と、前記第２のマニホールドに連通して前記溝の他方の側面に開口するように前記板に形成された第２の管路とを具えたことを特徴とする請求項１２から請求項１７の何れかに記載の泡発生装置。
19. 前記第１のマニホールドに送り込む分流器の出力ポートに排気弁が設けられ、これにより前記第１のマニホールドおよびこれに連通する前記第１の管路が液体で満たされることを特徴とする請求項１８に記載の泡発生装置。
20. 前記第１の管路が前記第２の管路よりも大きな断面であることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の泡発生装置。
21. 前記第１の管路が前記溝の底に接するように溝の一方の側面に開口すると共に前記第２の管路が前記溝の底に接しないように溝の他方の側面に開口していることを特徴とする請求項１８から請求項２０の何れかに記載の泡発生装置。

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