JP5188180B2 - ジェットポンプ - Google Patents

Description

本発明は流体を移動させる方法及び装置に関する。
本発明は、同じ又は異なる特徴を有する流体及び／又は固体を移動させる及び／又は混合するための流体移動装置であって、舶用推進システムからポンプを用いる用途に渡る様々な性質の多数の用途を有する流体移動装置の改良に関する。本発明はまた、とりわけ加熱、冷却、洗浄、給気、ガス流動化、流体攪拌及び流体／固体の混合、粒子の分離、分類、分解、混合、乳化、均質化、分散、溶出、水和作用化、噴霧、液滴生成、粘度低減、希釈、せん断薄膜化（shear thinning）、揺変性の流体の輸送、並びに低温殺菌の分野に関する。
具体的には、本発明は、基本的に可動部品を持たない改良型流体移動装置の提供に関するものである。

水蒸気をダクトに噴出させる中心水噴流又は環状水噴流を使用して作動流体又はプロセス流体を移動させ、流体を適切なダクトに又は適切なダクトから外へ、或いは別の流体本体の中に又は別の流体本体を通って移動させる排出装置が本技術分野で周知である。排出装置は原理的に、一般的にベンチュリー原理を使用して負圧を生成することにより流れを起こすことに基づいて動作する。これらのシステムの多くは、生成された流体が噴流軸にほぼ直交してダクトに流入する構成の中心水蒸気ノズルを利用しているが、例外的に逆の構成を有するものもある。水蒸気噴流は膨張ノズルを通って加速されて混合チャンバに流入し、このチャンバで作動流体に衝突し、作動流体と混合する。作動流体と水蒸気の混合物は、下流の収束部分内で加速されて、発散部分、例えばベンチュリーに到達する。ベンチュリーにおいて生成される圧力勾配によって、新規の作動流体が生成されて混合チャンバに流入する。大部分の水蒸気排出システムのエネルギー移動機構は、運動量移動、熱移動、及び物質移動の組み合わせであり、これらの割合は変えることができる。これらのシステムの多くは収束流に関連する運動量移動を用い、他のシステムでは発散部分において衝撃波を発生させる。従来の収束／発散システムの主要な制約の一つは、これらのシステムの性能が、不安定で最適位置からずれ易い衝撃波の位置の影響を受け易いことである。衝撃波が収束部分／発散部分内部の正しくない場所で大きくなると、関連ユニットが大幅に失速し易い。このようなシステムはまた、限られた部分にしか衝撃波を発生させることができない。
更に、中心水蒸気ノズルを用いるシステムでは、作動流体に影響を与えるのど厚寸法制限及び急激な方向変化が、あらゆる粒子の処理能力の大きさに対する制約となり、システムに流入し得るほとんど全ての不良材料が閉塞の原因となる。

改良型流体移動装置が本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００４４００に記載されており、この装置では、１又は複数の作動流体とノズル構造から放出される輸送流体とが相互作用することによって、１又は複数の作動流体のポンピング、エントレインメント、混合、加熱、乳化、及び均質化などが行われる。流体移動装置は、輸送流体、一般的には水蒸気の超音速環状噴流を、比較的大きな直径を有する直線状貫通空洞通路に流入させる。運動量移動、高せん断、及び凝縮衝撃波生成を組み合わせることにより、高速水蒸気が作動流体を噴出させ、作動流体に作用して、中空ボディの中心を通過させる。
国際特許出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００４４００によれば、輸送流体は凝縮流体であることが好ましく、気体又は蒸気、例えば水蒸気とすることができ、連続的又は不連続に導入することができる。輸送流体の導入ポイントか又はその近傍、例えば導入ポイントの直ぐ下流において、擬似縮流部又は擬似収束／発散部が形成され、この擬似収束／発散部分は従来の水蒸気排出装置の収束／発散部に類似するが、当該部分は作動流体又はプロセス流体への水蒸気の衝突により形成されるために物理的制約を有しない。従って、この流体移動装置は、擬似縮流部によって描かれる内部流体境界が従来の排出装置よりフレキシブルであるという点で汎用性が高い。フレキシブルな境界は、ユニットの中心の作動流体と固体壁との間に位置し、固体壁よりも多相流の擾乱又は圧力変動を良好に吸収することができる。これにより、多相流内の超音波速度が下がる結果、液滴が良好に分散し、運動量移動ゾーンが長くなり、強い凝縮衝撃波が形成される。

国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００４４００によれば、更に、衝撃波の位置及び強度は、流体移動装置が配置されるシステムの特定の要件に応じて変更及び制御することができる。このような機構は、複数の効果を利用して高い汎用性及び性能、特に熱移動、運動量移動、及び物質移動を実現するもので、これによって衝撃波が生成され、またせん断分散及び／又は分解によって作動流体流の連続的せん断が行なわれる。好適には、ノズルは使用の際に作動流体の突出表面の出来るだけ近くに配置され、これに関して、輸送流体又は水蒸気と作動流体流とのナイフエッジ分離が必要な大きさの相互作用を達成するのに有利である。作動流体流に対するノズルの角度方向は重要であり、浅い角度にすることができる。
国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００３／００４４００によれば、更に、輸送流体ノズル又は各輸送流体ノズルは、内部を収束−発散構造とすることができ、実際には、ノズルは、通路の内部に輸送流体の超音速流を生成するように構成される。所定の水蒸気状態において、すなわち所定の乾燥度、圧力、及び温度において、ノズルは、水蒸気噴流を最高速にし、合計圧力低下を最小にし、水蒸気チャンバとノズル出口との間の静的エンタルピーを最高にするように構成されることが好ましい。ノズルは、ノズル自体に加わるあらゆる衝撃を回避するように構成されることが好ましい。例示のみを目的として非限定的に挙げると、ノズルの最適面積比、すなわち出口面積とスロート部面積の比が１．７５〜７．５であり、その間の角度は９°未満である。

ノズル又は各ノズルは作動流体に対して都合の良い角度に向いており、更に概ね流体移動装置の排出口の方を向いている。これにより、輸送流体による作動流体のせん断又は熱分散が促進されて、作動流体が通過し易くなる。これはまた、通路の壁における運動エネルギーの損失と、通路の壁における水蒸気の早期凝縮の両方を防止することができ、逆の温度差が形成される。ノズルの角度方向は、ノズルが、特にノズルの向き及び混合チャンバの内部構造に応じて最適な性能を持つように選択される。更に、ノズル又は各ノズルの角度方向は、擬似収束／発散プロファイル、混合チャンバ内の圧力プロファイル、エンタルピー増加、及び凝縮衝撃波強度又は位置を、流体移動装置に必要な圧力及び流量に従って制御するように選択される。更に、特にノズルの角度方向に支配される擾乱の形成は、作動流体が蒸気−液滴相へ分散することにより最適性能を実現して運動量移動による加速を大きくするために重要である。このような面は、流体移動装置をポンプとして用いる場合に非常に重要となる。例えば、本発明を制限するものではないが、本発明においては、ノズル又は各ノズルの角度方向は、作動流体が流れる方向に対して０〜３０°とすることができることが判明した。
それぞれ付属の混合チャンバセクションを持つ一連のノズルを通路の長さ方向に設けることができ、この場合、これらのノズルの角度方向は異なっていてよく、例えば第１ノズルから下流に向かって徐々に小さくなるようにすることができる。各ノズルは他のノズルとは異なる機能を有することができ、例えばポンピング、混合、分解用とすることができ、使用時には選択的に動作させることができる。各ノズルは作動流体に所望の効果を与えるように構成することができる。更に、マルチノズルシステムでは、輸送流体、例えば水蒸気を導入することにより、段階的な加熱を行なうことができる。このアプローチは、作動流体を徐々に加熱するのに望ましい。

本発明の目的は、高速輸送流体と作動流体との間のエネルギー移動機構を高性能化することにより流体移動装置の性能を向上させることにある。これにより、現在利用可能な流体移動装置より性能の高い可動部品を基本的に持たない流体移動装置の性能を、前述の特許で列挙された先行技術に例証された制約を生じさせることなく向上させることができる。

本発明の第１の態様による流体移動装置は、ほぼ一定の断面を有する直線状の貫通通路であって、一端には作動流体を流入させる流入口が、他端には作動流体を排出するための排出口が設けられた通路を備えた中空ボディと、前記通路をほぼ取り囲み、且つ流入端と排出端の中間で前記通路に開口するノズルと、ノズルと連通して輸送流体を導入する流入口と、通路内部のノズルの下流に形成される混合チャンバとを含み、ノズルの内部構造、及びノズル出口の直ぐ上流に位置するボアのプロファイルが、輸送流体と作動流体との間のエネルギー移動を最適化するように配置及び構成されることにより、使用時に、輸送流体を導入すると、１又は複数の作動流体が噴霧されて、擬似縮流部の内部に局所的超音速流動状態の拡散蒸気／液滴流動様式が形成され、その結果、輸送流体の凝縮によって下流の混合チャンバ内に超音速凝縮衝撃波が形成される。
輸送流体は好ましくは凝縮性流体であり、気体又は蒸気、例えば水蒸気とすることができ、蒸気は連続的又は不連続的に導入することができる。

本発明の第２の態様によれば、本出願人による前述の特許出願に記載される種類の流体移動装置は、ほぼ一定の断面を有する直線状の貫通通路であって、一端に作動流体を流入させる流入口が、他端に作動流体を排出するための排出口が設けられた通路を備えた中空ボディと、前記通路をほぼ取り囲み、且つ流入端と排出端の中間で前記通路に開口するノズルと、ノズルと連通して水蒸気を導入する流入口と、ノズルの下流の通路の内部に形成される混合チャンバとを含み、ノズルの内部構造、及びノズル出口の直ぐ上流に位置するボア構造が、水蒸気と作動流体との間のエネルギー移動を最適化するように配置及び構成されることにより、使用時に、水蒸気を導入すると、１又は複数の作動流体が噴霧されて、擬似縮流部の内部に局所的超音速流動状態の拡散蒸気／液滴流動様式が形成され、その結果、水蒸気の凝縮によって下流の混合チャンバ内に超音速凝縮衝撃波が形成される。
ノズルは通路の形状に対応する形態とすることができ、よって、例えば円形通路には通路を取り囲む環状ノズルを設けると有利である。本明細書において使用する「環状」という用語は、流体移動装置の通路を取り囲むようなノズルのあらゆる構成を含むものとし、円形、不規則形、多角形、及び直線形のノズル形状を含む。本明細書において使用する「取り囲む」という用語は、通路を包囲する連続ノズルだけでなく、通路の一部又は全体を取り囲む２つ以上のノズル出口を有する不連続ノズルも含む。

ノズル又は各ノズルは内部に収束−発散構造を有するように作製することができ、特に、ノズルは通路内に輸送流体の超音速流を形成するように構成される。所定の水蒸気状態、すなわち所定の乾燥度、圧力、及び温度において、ノズルは、好適には、水蒸気噴流が最高速となり、合計圧力低下が最小となり、水蒸気チャンバとノズル出口との間のエンタルピーが最高となるように構成する。
混合チャンバ内の凝縮プロファイルによってノズル全体の膨張比プロファイルが決定する。比較的低温の作動流体では凝縮が支配的であり、輸送流体ノズルの出口圧力は低い。輸送流体ノズルの出口圧力は、作動流体のバルク温度が比較的高いとき高くなる。

本発明の第３の態様によって作動流体を移動させる方法が提供され、本方法は、
断面がほぼ一定の直線状貫通通路を有する流体移動装置を作動流体に適用するステップ、
環状ノズルを通して通路をほぼ取り囲む輸送流体流を通路に適用するステップ、
作動流体を噴霧して、局所的超音速流動状態の拡散蒸気及び液滴流動様式を形成するステップ、
輸送流体を凝縮することによりノズルの下流の通路内部に超音速凝縮衝撃波を形成するステップ、
通路の流入口から排出口まで作動流体を流すステップ、及び
凝縮衝撃波を変化させて排出口からの作動流体の放出を変化させるステップ
を含む。
好適には、変化させるステップは、凝縮衝撃波の強度を変化させることを含む。別の構成として又はそれに追加して、変化させるステップは、凝縮衝撃波の位置を変化させることを含む。

ノズルの直ぐ上流のボアプロファイルは、好ましくは、作動流体の噴霧を促進するように構成される。好適には、ノズルの直ぐ上流の作動流体を不安定にする。
ノズル又は各ノズルは、特定の作動流体、上流の壁の凹凸プロファイル、及び混合チャンバ構造に応じて最適に動作するように構成されることが好ましい。ノズル、上流の壁の凹凸プロファイル、及び混合チャンバの組み合わせは、作動流体の噴霧を促進し、局所的超音速流動状態の蒸気／液滴混合流を形成するように構成される。これは、局所乱流、圧力勾配、及び輸送流体と作動流体との間の表面接触の最大化による運動量移動量及び熱移動量を大きくすることにより、下流での凝縮衝撃波の形成を促進する。

好適には、ノズル又は各ノズルは、特定の作動流体、上流の壁の凹凸プロファイル、及び混合チャンバに応じて動作することにより、最適なノズル出口圧力を実現するように構成される。凝縮による下流の圧力低下に伴う輸送流体の減速に起因する初期圧力回復を利用することで、確実にノズルの膨張比が調整されて作動流体の噴霧及び運動量移動が促進される。
ノズル又は各ノズルの出口速度は、輸送流体供給圧力、ノズルの膨張比、及び混合チャンバの周辺領域の凝縮プロファイルを変えることにより制御することができる。ノズル出口速度を制御して、混合チャンバの周辺領域の運動量フラックス比Ｍを大きくすることができ、ここでＭは次の等式により定義される。

式中、
ρ＝流体密度
Ｕ＝流体速度
であり、添え字ｓは輸送流体を表わし、添え字ｆは作動流体を表わす。

本発明では、ノズル又は各ノズルの最適な運動量フラックス比Ｍは２≦Ｍ≦７０の範囲であることが判明した。例えば、水蒸気を輸送流体として使用し、作動流体の含水量が多い場合、ノズル又は各ノズルのＭは５≦Ｍ≦４０の範囲である。
ノズル又は各ノズルは、軸方向速度成分、半径方向速度成分、及び接線方向速度成分の所望の組み合わせを提供するように構成される。作動流体流の１次乱流破壊（噴霧）、及び圧力勾配に影響を与えるのは、軸方向成分、半径方向成分、及び接線方向成分の組み合わせである。

作動流体の噴霧を生じさせる輸送流体と作動流体の相互作用は、流れが不安定になることによって大きくなる。不安定になることによって、液滴が作動流体のコア流の接触表面から離脱する現象が加速する。輸送流体と作動流体の間の乱流散乱層は、流体的且つ機械的に（構造が）発達し、確実に流体コアの急激な散乱が生じる。擬似縮流部は、この液滴噴霧領域において結果として形成される形態である。
ノズル又は各ノズルの上流の流路の内部壁に凹凸を付けて、作動流体コアが輸送流体と接触するときに、作動流体コアの外側表面の軸方向速度成分、半径方向速度成分、及び接線方向速度成分の１つの組み合わせを提供することができる。作動流体が輸送流体と接触するときに、とりわけ作動流体の１次乱流破壊（噴霧）、及び圧力勾配に影響を与えるのは、これらの速度成分の組み合わせである。

最適な動作では、作動流体コアの分解又は噴霧は非常に速い。ボア全体に渡る分解は通常混合チャンバ内で、これに制限されないが、ノズル出口から下流に約０．６６Ｄに等しい距離の範囲内で生じる。これとは異なり、最適でない運転中、混合チャンバのボア全体に渡る分解は、Ｄを流体移動装置の中心を通るボアの公称直径とする場合、これに制限されないが、ノズル出口から下流に１．５Ｄに等しい距離の範囲内で生じ得る。
流れに再循環が生じる。再循環は、輸送流体の接線方向速度成分が存在する場合に特に大きい。混合チャンバ内に形成される半径方向の圧力勾配がこの流動現象の原因であり、これによってボア全体に渡る完全且つ高速の流動拡散が促進される。

このような効果は、擬似縮流部が部分的に形成されるとき、すなわち混合チャンバ境界に沿って蒸気−液滴流が大きいときにも生じる。局所的な圧力勾配によって流れが外に向かうことによって、作動流体の軸方向の流れ成分が滞留し、場合によっては中心線、すなわち流れ領域の中心で逆流を生じるような、輸送流体ノズル出口の下流領域、通常は１直径〜２直径の下流領域が生じる。
再循環は乳化等の一部の用途において特定の利点を有する。

それぞれ付属の混合チャンバを有する一連のノズルを通路の長さ方向に設けることができ、この場合のノズルの角度方向は異なっていてよく、例えば第１ノズルから下流方向に向かって徐々に小さくすることができる。各ノズルは他のノズルとは異なる機能を有することができ、例えばポンピング、混合、分解又は乳化などの機能を有することができ、使用時に選択的に動作させることができる。各ノズルは作動流体に所望の効果をもたらすように構成することができる。更に、マルチノズルシステムでは、輸送流体、例えば水蒸気を導入することにより、段階的な加熱を行なうことができる。このアプローチは、作動流体を徐々に加熱し、噴霧を促進し、圧力勾配を形成するため、又は乳化の促進等の相乗効果を生じさせるのに望ましい。
更に、ノズル出口又は各ノズル出口の直ぐ上流の流路の内壁に凹凸を付けて、異なる大きさの乱流を作動流体に生じさせてから、ノズル又は各ノズルから噴出する輸送流体と作動流体を相互作用させることができる。

混合チャンバの構造は、所望の出力性能、及び計画される出力性能によって、且つ所望の輸送流体条件とノズル構造に適合するように決定される。この点に関し、種々の構造的特徴と、これらの特徴が性能に与える影響との間には相乗効果が生じる。すなわち種々の構成と、流体移動装置の規定の機能を十分に考慮した性能パラメータとは相互作用する。

本発明の第４の態様によって、作動流体の処理法が提供され、本方法は、
断面がほぼ一定の直線状貫通通路を有する流体移動装置を作動流体に適用するステップ、
環状ノズルを通して通路をほぼ取り囲む輸送流体流を通路に適用するステップ、
作動流体を噴霧して、局所的超音速流動状態の拡散蒸気及び液滴流動様式を形成するステップ、
輸送流体を凝縮することによりノズルの下流の通路内部に超音速凝縮衝撃波を形成するステップであって、その間凝縮衝撃波の位置が平衡流の下でほぼ一定に維持されるステップ、
作動流体を、通路の流入口から排出口まで流すステップ、及び
凝縮衝撃波の位置を変更して排出口からの作動流体の放出を変化させるステップ
を含む。
凝縮衝撃波の位置を変更するステップは、好適には、一組のパラメータの内の少なくとも一つのパラメータを変更することにより行い、この一組のパラメータには、作動流体の流入口温度、作動流体の流量、作動流体の流入口圧力、作動流体の排出口圧力、作動流体に添加された混入流体の流量、作動流体に添加された混入流体の流入口圧力、作動流体に添加された混入流体の排出口圧力、作動流体に添加された混入流体の温度、輸送流体が通路に流入する角度、輸送流体の流入口温度、輸送流体の流量、輸送流体の流入口圧力、ノズルの下流の通路の内部寸法、及びノズルの上流の通路の内部寸法が含まれる。

通路を表わすために使用される「直線状貫通」という用語は、屈曲通路を含め、流体が邪魔されることなく通過することができるあらゆる通路を含む。
混入流体は気体又は液体とすることができる。混入流体は本発明の必須要件ではないが、特定の状況においては有利である。混入流体は乾燥状態の粉末又は流体に懸濁させた粉末を含むことができる。

パラメータを変更するステップは、複数の輸送流体の切り替え、又は複数の混入流体の切り替えを行なうことができる。
本発明による改良は前述の特許の流体移動装置に適用することができ、よって、前述の特許に開示される種々の用途においてこの装置を更に便利に使用することができる。これらの用途は、ポンプピング、混合、加熱、均質化などを含む流体処理装置から舶用推進機までの範囲に渡り、舶用推進機においては、移動装置は流体本体、すなわち海又は湖、或いは他の水本体の内部に隠れる。流体移動装置を流体処理に適用する場合、種々の作動流体を処理することができ、これらの作動流体には、液体、固体が懸濁する液体、スラリー、スラッジなどが含まれる。移動装置の直線状貫通通路の利点は、通路に至る経路を通過することができる材料を収容できることである。

本発明の流体移動装置を使用して、混合、拡散、又は水和作用を促進することもでき、この場合も、せん断機構、液滴形成、及び凝縮衝撃波の発生を組み合わせることによって、所望の結果を実現する機構が得られる。この点に関し、流体移動装置を使用して１又は複数の流体、１又は複数の流体及び粒子状の固体、例えば粉末を混合することができる。流体は液体又は気体の形態とすることができる。液体を粒子状の粉末と混合するときに本発明を使用することにより、粉末が、濡らすことの難しい材料、例えば濃厚剤であるトラガントゴムである場合も、均質な混合物が得られる。
作動流体の処理、例えば加熱、注入、混合、拡散、乳化などは、少なくとも一つの流体移動装置を使用して、或いは必要に応じて１又は複数の流体移動装置を使用したインライン又は連続構成により、バッチモードで行われる。

本発明を実施できる更なる用途は乳化であり、乳化では、互いに溶解しない２つ以上の液体を混合することにより懸濁液を形成する、すなわち一方の液体（内相）を小液滴にして他方の液体（群）（外相）に懸濁させる。乳化は、界面活性剤を添加することなく生じさせることができるが、必要であれば界面活性剤を使用してもよい。更に、本発明が直線状の貫通構造を有することによって、取扱い可能な粒子の大きさには制限が無く、ユニットのボアの大きさまでの大きさの粒子を乳化が生じている間に通過させることができる。
本流体移動装置は、分解、例えば製紙工業における製紙用パルプの分解に用いることもできる。典型的な実施例は紙再生処理であり、紙再生処理では、古紙又は裁断紙片を水と混ぜ、流体移動装置に通過させる。加熱、強力なせん断機構、蒸気−液滴流の低圧領域、及び凝縮衝撃波を組み合わせることにより、紙繊維が直ぐに水和し、物質が溶出及び分解して紙片が更に小さくなる。個々の繊維への分解は検査において行なわれてきた。同様に、流体移動装置は脱インクプロセスに使用することができ、このプロセスでは、パルプが流体移動装置を通過しているときに、加熱及びせん断によって、製紙用パルプからのインクの除去を促進する。

本発明の直線状貫通構造の更に別の利点は、流れが遮られることがほとんどないために、流体が通過するときの圧力低下が無視できる程度であるということである。この構造は、プロセス配管工事が行われる場所に流体移動装置が設置され、流体がポンピングによって流体移動装置を通過する用途において特に重要であり、このような用途としては、例えば本発明の流体移動装置の電源が、輸送流体の供給を減らすか又は停止することによりオフにされるような用途を挙げることができる。更に、直線状貫通通路及び障害物の無いボアは、配管工事の清掃に用いることができる清掃用の「豚毛ブラシ」又は他の類似の器具の邪魔にならない。
せん断機構の高性能化による輸送流体と作動流体との間の運動量移動に焦点を当てたエネルギー移動機構について、添付図面を参照しながら最適な形で詳述する。例示を目的として、本発明によるこのエネルギー移動機構を高性能化するために用いることができる構造的特徴を有する８つの実施形態について、添付の図を参照しながら以下に説明する。
本明細書全体を通じて、同様の参照番号は同様の構成要素を指すために使用されている。

図１に示すように、流体移動装置１は、流入口４及び排出口５を有する通路３を画定するハウジング２を備え、通路３はほぼ一定の円形断面を有する。
ハウジング２は、輸送流体の導入のためのプレナム８を含み、プレナム８には流入口１０が設けられる。プレナムの遠位端は先に行く程細くなって、環状ノズル１６を形成している。ノズル１６はプレナム８と流体連通する。ノズル１６は超音速流を生成するような形状に作製されている。

運転中、流入口４はプロセス流体又は作動流体の供給源に接続される。流入口１０及びプレナム８を介して流体移動装置１に水蒸気を流入させることにより、ノズル１６から水蒸気噴流が噴出する。ノズル１６から噴出する水蒸気は、混合チャンバ（３Ａ）として機能する通路のセクションにおいて作動流体と相互作用する。運転中、凝縮衝撃波１７が混合チャンバ（３Ａ）内で形成される。
通路３の軸経路は真っ直ぐで、狭窄部を有さないので、流体の障害とならないほぼ一定の寸法の穴が形成され、運転中、ノズルから噴出する水蒸気噴流によって、作動流体が通路３を通って導入される。水蒸気及び構造の条件、並びに熱移動及び物質移動の速度に基づいて決定される位置において、蒸気の凝縮により圧力の低下が起こる。水蒸気は凝縮衝撃波の発生直前に凝縮し始め、指数関数的な速さで凝縮し、最終的に凝縮衝撃波１７そのものとなる。

凝縮衝撃波の直前及び初期段階に生じる圧力の低下によって、通路３を通って高圧流体が導入される。圧力は凝縮衝撃波の発生中及び発生後に急激に大きくなる。従って、凝縮衝撃波は異なる圧力境界／勾配を表わす。
ノズル、上流壁のプロファイル、及び混合チャンバの構造的特徴に関連する水蒸気のパラメトリック特性は、水蒸気から作動流体へのエネルギー移動が最適に行なわれるように選択される。第１エネルギー移動機構は運動量及び物質の移動であり、これによって作動流体が噴霧される。このエネルギー移動機構は乱流によって加速される。
図１は、作動流体コアの粉砕又は噴霧シーケンス１８を模式的に示している。

図２は、輸送流体による作動流体のせん断及び噴霧化機構１８の拡大模式図である。この機構は３つの異なる領域に分割することができ、各領域は形成される乱流機構によって制御される。第１領域２０では、輸送流体と作動流体との間に第１相互作用が生じる。この領域では、作動流体の表面接触層においてケルビンヘルムホルツ型の不安定現象が拡大し始める。このような不安定状態はせん断状態、圧力勾配、及び速度変動によって大きくなり、レーリーテーラー不安定性による破壊２４を生じる。流体表面波内部の２次渦の大きさは、コルモゴロフ渦２２の大きさに合わせて小さくなる可能性がある。レーリーテーラー不安定性による破壊に関連してこれらの渦が形成されることにより、作動流体の小液滴２８が形成されると考えられる。
液滴形成段階はまた、破壊領域の直ぐ後に局所的再循環ゾーン２６を生じさせる。この再循環ゾーンは、大液滴が高せん断領域に再循環することにより流体噴霧を更に促進することができる。この再循環、すなわち局所圧力勾配特性は、輸送流体の軸方向、接線方向及び放射方向の速度成分及び圧力成分によって制御することができる。この機構は、特に流体移動装置の混合、乳化、及びポンピング能力を強化すると考えられる。
従って、作動流体コアの１次破壊機構は、作動流体流に初期不安定性を生じさせることにより強化することができる。輸送流体／作動流体の相互作用層に意図的に不安定性を生じさせることにより、流体表面の乱流散乱が大きくなり、その結果、作動流体コアが分散して液体結束領域に流入し、続いて液滴結束領域に流入し、この液滴結束領域では、液滴の結束が空気力学特性によって更に分解される。

次に図３に示すように、図１及び２の流体移動装置には、水蒸気ノズル１６の出口の直ぐ上流の領域１９に凹凸内壁が設けられる。ノズル１６の直ぐ上流の流路３の内壁には傾斜壁３０が設けられ、これによって水蒸気ノズル１６の出口に続く発散構造が形成される。発散壁の構造は、局所流を減速させることができ、これによって逆圧勾配が形成されることに加えて境界層流が分解し、次いで作動流体流のこの部分において乱流が生成されて伝搬する。この乱流は作動流体と輸送流体との相互作用の直前に生成されるので、これらの領域において始まる不安定状態によってケルビンヘルムホルツ型不安定性が大きくなり、よって前の説明において予測された結束液滴の形成速度が上昇する。
別の実施形態を図４に示す。ここでも同じように、図１及び２の流体移動装置には、ノズル１６の直ぐ上流の流路３に凹凸内壁１９が設けられる。本実施形態の凹凸表面は、水蒸気ノズル１６の出口に続くボア表面の上に発散壁３０を設けることにより形成されるが、傾斜の前に段３２が設けられる。使用時には、段によって傾斜部の前でボア径が急激に大きくなる。段は流れの「邪魔になる」ので、水蒸気ノズル１６から噴出する水蒸気と相互作用する直前の作動流体に、発散部分において渦及び乱流が生成される。これらの渦によって初期波の不安定性が大きくなり、結束の形成及び急激な流体の円錐状拡散が起こる。

傾斜を付けた発散部分３０には、一定の角度範囲に渡って傾斜を付けることができ、この部分はボアの壁に平行にしてもよい。傾斜部３０に傾斜を付けることにより、水蒸気ノズル１６との交差部分に近づくにつれ径が小さくなるような構造とすることも可能で、この場合、径はボア径より小さくしない。
図４に示す実施形態では、最初の段３２がボア３の軸に対して９０度の角度を有している。この構成に替わる構成として、段３２の角度を図示する角度よりも小さく又は大きくして、流れの「邪魔になる」ようにすることができる。ここでも同じように、発散部分３０には異なる角度の傾斜を付けることができ、この部分がボア３の壁に平行になるようにすることもできる。別の構成として、傾斜部３０に傾斜を付けることにより、水蒸気ノズル１６との交差部分に近づくにつれ径が小さくなるような構造とすることも可能で、この場合、径はボア径より小さくしない。

図５〜８は、別の凹凸プロファイルの実施例を示している。これらの全ては、ノズル１６から噴出する輸送流体と相互作用する直前に、作動流体流に乱流を生じさせることを目的としたものである。
図５及び６に示す実施形態は、傾斜部又は平行部３０の直前に単一又は複数の三角形断面溝３４、３６を有し、この場合部分３０は水蒸気ノズル１６の出口の直前に位置する。
図７及び８に示す実施形態は、単一又は複数の三角形断面溝３８及び／又は方形断面溝４０を、水蒸気ノズル１６の出口の上流に向かって短い距離だけ離れた位置に含む。これらの実施形態は、溝の後方に傾斜付き発散部分を有さない構造を示す。

図１〜８は、溝及び傾斜部の複数の組み合わせを示しているが、これらの特徴のあらゆる組み合わせ又は他のいずれかの溝断面形状を用いることが可能である。
傾斜部３０及び／又は段３２及び／又は溝３４、３６、３８、４０は、ボアの周囲で連続するか、又は連続しない。例えば、一連の傾斜及び／又は溝及び／又は段は、ボアの周囲に、部分的に又は「鋸歯」状に配置することができる。

本発明の流体移動装置の流動様式の性質について、図１０を参照しながら以下に詳細に説明する。
輸送流体、通常水蒸気８０は、ノズル１６から超音速で流入する。水蒸気という用語が使用される場合には必ず、この用語が他の輸送流体を指すこともできることを理解されたい。作動流体、通常液体８２は、亜音速で流入口４に流入する。ノズル１６の位置では、液体コア８４が亜音速で流れており、この液体コアは、水蒸気８０及び分散領域８８と、全体にでこぼこの境界又は乱流の錐状の境界によって区切られる。水蒸気８０がノズル１６から噴出すると、水蒸気は局所的な衝撃波及び膨張波８６となり、擬似縮流部９０を形成する。液体コアの加速拡散領域８８（又は加速分解領域）は、局所的に超音速で蒸気−液滴領域９２に流入し、この領域において、蒸気は水蒸気であり、液滴は作動流体である。超音速凝縮ゾーン９４及び亜音速凝縮ゾーン９６において凝縮が生じる。局所的に超音速の低密度領域９４において始まる凝縮が指数関数的速度に達すると、凝縮衝撃波１７が生じる。凝縮衝撃波１７の直ぐ後のゾーン９６は非常に高い密度を有するので流れは亜音速である。従って、凝縮衝撃波１７がこれらの２つの密度の境界を画定している。

凝縮ゾーン９６よりも先の液相９８では、非常に小さい蒸気泡が生じる。凝縮衝撃波の位置は、本明細書に記載の複数のパラメータの内の一つを調整することにより、距離Ｌに渡って制御可能である。
１次液体コアの破壊及び拡散によって液滴蒸気領域が形成される。１次液体円錐状表面１８上の液体に不安定性がある場合、必ず増幅されて「波」を形成する。これらの波が更に長くなって、レーリーテーラー破壊が生じる結束を形成し、その結果、小液滴２８、分離した結束２４、及び大液滴が形成される。

従って、２次領域２４は、実効流体表面積の急激な増加によって特徴付けられる。次に、サイズが変化するこれらの液滴２８は複数の空気力学現象及び熱効果の影響を受け、最終的に破壊されて、この領域の乱流のレベルに特徴的な大きさになる。この結果、蒸気−液滴領域が流体移動装置の流動様式を決定することになる。
液滴又は結束液の形態で高速蒸気／気体及び局所混入液を含む粘性底層の厚さは下流において厚くなり、最終的にボア全体に拡大する。流れは基本的に蒸気−液滴のみから成るので、この領域内の乱流はせん断（速度勾配）及び渦（コルモゴロフ渦の大きさに相当する規模）によって生じる。気体／液体境界において大きなせん断が行われる。

更に粒子破壊が生じる結果、大量のエネルギーがこの２次領域２４に伝達される。物質移動がせん断力として生じ、熱的不連続性によって液滴が非常に小さくなる。圧力が低下し、液滴が蒸発して流れの平衡が維持される。熱移動は平衡状態になると生じ、確実に液体蒸気相遷移及び逆の遷移の全てを通路３の混合部分内で生じさせる。２次領域では、次式により表される空隙率が急速に大きくなる。

上式中、
α＝空隙率
Ａ_ｇ＝気体相（拡散コーン）の面積
Ａ_Ｔｏｔ＝ポンプ流の合計面積
である。

従って、液滴／結束液が更に拡散して特定の容積が急激に大きくなることにより、明らかに空隙率が大きくなる。次に、流動状態が平衡状態に近付き始めると、混合チャンバ内部の構造によって蒸気流が大きくなり、非平衡エントロピー生成領域である空気力学的凝縮衝撃波に向かって凝縮プロファイルを示すようになる。
凝縮衝撃波は２相の流体混合物から、蒸気相が完全に凝縮した状態のほぼ単相の流体に急激に変化することにより生じる。蒸気液滴混合物に固有の音速はないので、運動量、物質、及びエネルギーの非平衡交換及び平衡交換が生じ得る。正常な凝縮衝撃波を実現するために、混合チャンバ内の蒸気混合物の速度は、平衡音速と定義される特定の値より大きい値に維持する必要がある。蒸気の速度が凍結音速より大きい状態、又は蒸気混合物の速度が平衡音速と凍結音速の間の速度である状態では、結果として凝縮衝撃波の拡散又は部分的拡散が起こる。これらの２つの漸近的音速はａ_ｅ＝平衡状態の衝撃波速度である。これは、全ての流体が正しい平衡状態である、すなわち蒸気が蒸気であり、液体が液体である速度である。

ａ_ｆ＝凍結衝撃速度。この速度は主として、「ラグ」効果に起因して生じ、これによって複数の流体が正しい相にならない、例えば局所温度及び圧力は、蒸気が液体に変化しているはずであるが、相変化が生じていないことを示す。
ａ_ｆ及びａ_ｅは次式のように定義される。

ここで、

γ＝比熱（蒸気及び流体）の比
Ｒ_Ｖ＝蒸気相（水蒸気）の気体定数
Ｔ_Ｓ＝混合物（蒸気及び流体）の飽和温度
Ｃｐ＝比熱
Ｈ_ｆｓ＝気化潜熱
χ＝初期蒸気品質
ε＝気化率（気体／液体）
添え字ｖは蒸気（水蒸気）を表わし、
添え字ｆは流体（例えば液体）を表わす。

凍結流は、蒸気相と液滴との間の境界をまたぐ物質、運動量、及びエネルギーの輸送が完全に停止するとき、すなわち液滴が流体力学プロセスに含まれない場合に生じる。
平衡流は、蒸気及び液体の速度及び温度が平衡状態にあり、蒸気に起因する分圧が流れの温度に対応する飽和圧力に等しい場合に生じる。

２次流動様式は、更に３つのサブ領域に細分割することによって一層深く理解することができる。
２次流動様式の第１サブ領域は液滴破壊サブ領域である。液体コアが壊れて液滴−蒸気ゾーンが形成され、結束液及び液滴が表面から取り除かれる１次ゾーンと丁度同じように、２次領域においても、これらの分離した結束液が更に分離又は拡散し、また乱流流動様式で不安定な性質を示す液滴が破壊される。２次領域において破壊を生じさせる支配機構は、液滴の加速、又は蒸気と液体との間の滑り速度に起因する運動量移動である。本発明において蒸気を注入する速度は、流動様式のこのような作用形態に重要である。必要に応じて、下流にジグザグに配置される複数のノズルを使用してこの形態を強化することができる。ノズル角度及び混合チャンバ構造等の他のパラメータを選択することにより好ましい流動状態を実現することができる。

この領域における通常の破壊機構は、局所的な速度滑り状態、及びそれぞれの作動流体特性によって変わる。これらは、空気力学的にウェーバー数と呼ばれる無次元の数字にまとめられる。ウェーバー数は次式により与えられる。

上式では、
ρ_Ｖ＝蒸気密度
Ｕ＝速度
Ｄ_ｆ＝流体の水力直径
σ_ｆ＝流体の表面張力
である。
本発明の流体移動装置に見られる通常の破壊機構は、振動破壊が安定長さよりも長い特性長を有する結束液及び液滴に見られる振動破壊、Ｗｅ≧３５０の場合の液体−蒸気せん断層において特に顕著な壊滅的破壊、通常Ｗｅ≧３００の場合に、液滴がその大きさにより大きな空気力を受けて楕円形になると生じる波高点剥離、並びに、通常Ｗｅ≧１００の場合に支配的な破壊機構であって、結束の剥離及び拡散に続いて小液滴及び噴霧液滴が形成されている短剥離である。

本発明において一般的な、特にレイノルド数が大きい（Ｒｅ＞１０^４）場合の環境ガスの乱流運動によって、大きな局所エネルギー損失が生じ、それに伴って液滴破壊が生じる。これらの乱流変動によって生じる動態的圧力の変動が液滴破壊に顕著に見られるが、非常に重要なことに、流れにおける流体の非常に有効な拡散及び混合を確実に行うのはこのエネルギーである。
乱流の圧力が変動することによりせん断力が生じ、このせん断力によって繊維又は糸状体を破断し、粉末塊又は同様の固体、或いは半固体物質を分散させることができる。１次領域では、エネルギー、物質、及び運動量の移動が、円錐状の液体拡散に関し、更に明確な境界に生じる。２次破壊領域では、この移動は、流れの乱流分散領域に密接に関連する乱流強度に直接関連する。

熱境界層は、乱流分散底層に類似の特性を有するが、蒸発／凝縮、及びエネルギー移動が平衡状態又は「凍結」状態において生じる効果的な境界を表わす。
１次円錐型分散内部で始まる境界輸送は、２次蒸気−液滴領域に連続し、蒸気が流入する状態によって本発明の流体移動装置内部で強化される明確な機構によって特徴付けられる。この蒸気の流入状態は、圧力及び速度、水蒸気ノズルの物理構造、及び混合チャンバの構造に応じて変わる。この結果、連続的な表面更新プロセスが行なわれ、このプロセスと乱流とが連動して、種々の大きさを有する一連の更新渦が生じる。これらの渦によって、液体と蒸気の境界から生じる破裂が起こり、結束液及び液滴上に波が形成されて更に破壊される。これらの破裂は、境界におけるせん断速度に応じた周期を持つ。これらの破裂は、混合、熱輸送、及び乳化（液滴の大きさの減少）を大きく促進する。

２次流動様式の第２サブ領域は過冷却蒸気−液滴領域である。蒸気混合物が本発明の流体移動装置内を流れるとき、その速度プロファイルは流体相互作用、並びに流れが全体的に減速すると徐々に大きくなる静圧勾配によって調整される。超音波流の拡散、自然流体のバランス、及び不連続構造に関連する熱力学相互作用を制御することによって、蒸気が優勢な相に過冷却液滴が存在する蒸気−液滴状態が生じる。この凍結混合物の過冷却状態は、液滴核生成、即ち凝縮が非常に急激に生じるまで増大する。最大過冷却ポイント（ウィルソンポイント）によって、核生成速度が非常に急激に生じ始め、ほぼ指数関数的な速度に達するポイントが決まる。この場合、核生成速度は、凝縮に利用可能な表面積により過冷却に大きく依存する。従って、本発明の流体移動装置内部の蒸気−液滴領域は、非常に短いゾーン内で熱力学的な平衡にほぼ到達することができる。
本発明の流体移動装置は、構造状態及び擬似構造状態の両方により生成される構造状態を特殊な形で使用することにより、臨界過冷却状態の上流の流動状態が熱力学的平衡から確実に外れる。これにより、所望の蒸気−液滴領域に、所望の液滴破壊、粒子拡散、及び熱移動効果を確実に維持することができる。
１次流体円錐領域から蒸気領域へと流体を急激に加速することにより膨張波が生じ、この膨張波は同じように熱力学的な不連続性を示し、蒸気液滴領域が平衡状態から大きく外れて「凍結」流状態になることを可能にする。

図９は、本発明の流体移動装置の一実施形態を示し、この実施形態では、通路３の構造は、発散領域５０、直径が一定の領域５２、及び再収束プロファイル領域５４を有する混合チャンバ３Ａを備える。一定の貫通ボアが維持されるが、図９の実施形態では、この膨張及び非平衡性が促進される。これにより良好な粒子拡散、良好な流れ、圧力ヘッド及び吸引状態が提供される。
２次流動様式の第３サブ領域は凝縮衝撃波領域である。流体移動装置の内部に過冷却蒸気−液滴流動様式が生じる結果、指数関数的な速さの凝縮が生じ始めるポイントによって凝縮衝撃波境界が定義される。凝縮衝撃波の上流の混合状態によって、流体移動装置内部で生じる圧力回復及び温度回復の性質が決まる。

凝縮衝撃波全体に渡る相変化によって、蒸気相から熱が奪われるのは明らかであるが、凝縮衝撃波全体にエントロピー増加が生じる。本発明の流体移動装置における理想的な運転状態は、正常な凝縮衝撃波の形成と適合し、この凝縮衝撃波は、比較的高速で、よってＸ軸に沿って測定される大きさが無視できる程度であることによって不連続とされる。
本発明の流体移動装置における流体流の性質については、図１２を参照することによって理解を深めることができ、図１２は軸の長さに沿った流体移動装置内の圧力ｐの分布を示している。前述で定義した２つの衝撃速度ａ_ｅ及びａ_ｆを参照する。

図１２ａは状態Ａを示し、Ｕ_{ｍｉｘｔｕｒｅ}＞ａ_ｅの状態を表わしており、ここでＵ_{ｍｉｘｔｕｒｅ}は蒸気／液滴混合物の速度である。
これにより正常な凝縮衝撃波が生じ、この場合、凝縮衝撃波全体に非常に急激な圧力上昇が観察される。結果として得られる出口圧力は、流体移動装置のボアへの水蒸気流入口における局所圧力よりも大きい。

図１２ｂは状態Ｂを示し、ａ_ｆ＞Ｕ_{ｍｉｘｔｕｒｅ}＞ａ_ｅの状態を表わす。この場合、混合物速度は平衡衝撃速度より大きいが、凍結衝撃速度より小さい。この状態では、凝縮衝撃波は完全に拡散し、その結果凝縮衝撃波全体に非常に緩やかな圧力上昇が生じる。
図１２ｃは状態Ｃを示し、Ｕ_{ｍｉｘｔｕｒｅ}＞ａ_ｆの状態を表わす。この状態では、「不安定」状態が生じ、水蒸気が完全に凝縮することがない。これを、部分的に拡散した凝縮衝撃波と呼ぶ。これにより、凝縮衝撃波の形成（非常に大きな圧力勾配を持つ）が始まり、凝縮衝撃波形成が「鈍化」し、再度始まる。しかしながら、結果として得られる最終的な出口圧力は多くの場合、状態Ａ又は状態Ｂの圧力よりも大きいことが判明している。

流体移動装置内の流動様式の状態を決定し、この情報を制御系に使用して、用途の必要に最も合致する流動様式を実現する複数の機構がある。例えば、混合チャンバの長さに沿った特定ポイントで温度を測定することにより、蒸気−液適領域の発生を判断することができる。このような方法は非破壊的である、というのは、混合壁を薄い部分によって作製することができるので、状態の変化に対する高速応答が可能になるからである。下流において互いに離間配置される複数の温度プローブを使用して凝縮衝撃波の位置をモニタリングし、凝縮衝撃波プロファイルの状態を判断することができる。
更に別の実施例として、圧力センサを使用することによって凝縮衝撃波の位置を求めることができる。

図１３及び１４には、一連の圧力センサを使用して混合チャンバ内での凝縮衝撃波の位置を検出する方法が示される。凝縮衝撃波１７が、事例１によって示される位置１７Ａにあるとき、すなわち通路３の収束形状部分３Ｃに位置するときの圧力分布を参照番号１０１で示す。凝縮衝撃波１７が、事例２によって示される位置１７Ｂにあるとき、すなわち通路３の均一なプロファイル部分３Ｂに位置するときの圧力プロファイルを参照番号１０２で示す。通路３内の圧力センサＰ１、Ｐ２、及びＰ３を使用して、通路に沿った３つのポイント１０３、１０４、１０５における圧力を測定することができる。これらのポイントでの圧力測定値を使用して凝縮衝撃波１７の位置を求めることができる。必要とされる流動プロファイルに応じて、前述の１又は複数のパラメータを変更し、流動プロファイル及び凝縮衝撃波１７の位置を変えることができる。

図１４ａは通常の圧力センサを示すが、センサはこの図のセンサに制限されることはなく、いずれかの適切な圧力センサ又は測定機器を使用することができることを理解されたい。混合チャンバ内の圧力を測定するこの方法は、凝縮衝撃波の検出に特に適している。というのは、測定技術は圧力変化の測定だけを必要とし、正確な値を測定するための較正を必要としないからである。
混合チャンバ３Ａは、ステンレス鋼のような適切な材料から成る薄い壁の内側スリーブ１０７を有するスリーブ状に形成される。薄いオイル層１０８は、混合チャンバ３Ａのスリーブ１０７と内壁１０６との間の隙間を満たす。圧力センサＰ１は、混合チャンバの壁１０６を貫通するように配置され、オイル１０８に接触する。混合チャンバ３Ａ内部の圧力が変化すると、スリーブ１０７が少しだけ膨張又は収縮することにより、オイル１０８の圧力が上昇又は下降し、それを圧力センサＰ１が検出する。

図１４ｂの実施形態では、スリーブ１０７をセグメント化することにより、スリーブに固定される壁１０９によってオイルを分離する。これにより、分離された個々のオイルチャンバ１０８Ａ、１０８Ｂが形成され、各オイルチャンバは固有の圧力センサＰ１、Ｐ２を有する。多数の個別のチャンバ及び圧力センサを混合チャンバ３Ａの壁１０６に沿って配置することができる。
この計測方法の利点は、スリーブ１０７によって、作動流体又は他の被輸送材料を捕捉し得る裂け目又は他の構造の無い、クリーンな内側ボアが構成されることである。この構成は、食品産業における使用に特に関連する。更に、圧力センサＰ１は汚染されることがなく、磨耗又は損耗することがなく、妨害されることがない。

凝縮衝撃波をモニタリングすることができる更に別の方法では、音響痕跡を使用する。混合器における密度の変化によって、粉末の添加中であっても、蒸気流の指標となる流れの「状態」、従って凝縮衝撃波を有する状態を決定することができる。流体移動装置内の流動様式の状態を決定する機構は、当然ながら組み合わせることができる。

図１１は、流れのパラメータを制御する種々の制御手段を有する流体移動装置１の一実施形態を示す。流入口４は作動流体バルブ６６と流体連通し、このバルブを使用して作動流体の流量及び／又は流入圧力を制御することができる。加熱手段又は冷却手段（図示せず）をバルブ６６の上流又は下流に設けることにより、作動流体の流入口温度を制御することができる。排出口５は、任意の作動流体排出バルブ６８と流体連通し、このバルブを使用して作動流体の排出口圧力を制御することができる。
水蒸気発生器のような輸送流体供給源６２は制御可能であるので、輸送通路６４を通ってプレナム８に輸送流体を供給することができる。供給源６２を使用して輸送流体の流入口温度及び／又は流量及び／又は流入口圧力を制御することができる。

１又は複数のノズル１６は、その移動を調節できるように搭載することができ、よってノズル角度制御手段（図示せず）を使用して通路への輸送流体の流入角度を制御することができる。
ノズル１６の下流における通路の内部寸法は、可動壁部分６０によって調整することができ、これによって、混合チャンバ壁のプロファイルを、混合チャンバ３Ａに沿った複数の部分において、収束構造、平行構造、及び発散構造の間で変化させることができる。

追加の流体供給源７０を設けて１又は複数の流体を作動流体に混入することができる。追加の流体バルブ７２を使用して、必要に応じて混入流体の流れをオンとオフの間で切り替えることを含め、混入流体の流量を制御することができる。別の加熱手段を混入流体のために設けることができ、混入流体は被加熱液体、水蒸気等の気体、又は混合物とすることができる。混入流体は粉末とすることができ、バルブ手段により２次ホッパーから導入することができる。
マイクロプロセッサのような制御手段を設けて、上述のパラメータの一部又は全部を必要に応じて制御することができる。制御手段は、凝縮衝撃波をモニタリングする圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３等の凝縮モニタリング装置、又は他の何らかのセンサ手段、例えば温度センサ又は音響センサに接続することができる。

本発明の流体移動装置の汎用性によって、当該装置を非常に広い範囲の動作条件に渡って多くの異なる用途に適用することができる。次に、これらの用途の内の２つを例として説明し、本発明の流体移動装置の産業上の適用可能性を示す。
これらの用途の内の第１の用途はでんぷんを糊化する方法である。輸送流体と作動流体との間のエネルギー移動の性質により、でんぷんの糊化に使用される非常に大きな利点がもたらされる。熱い輸送流体及び作動流体が密に混合することにより、これらの流体の間の熱移動量が非常に大きくなり、作動流体が急激に加熱される。更に、ユニット内の高いエネルギー強度、特に水蒸気と作動流体との間の運動量移動量が大きいことにより、大きなせん断力が作動流体に作用する。従って、熱及びせん断がこのように組み合わされることによってでんぷんの糊化が加速される。

流体移動装置は、バッチ式流体処理装置又は単一の通路を有する流体処理装置に組み込むことができる。１又は複数の流体移動装置を、単一のパイプライン構成に直列に取り付けて使用することができる。単一の流体移動装置は、でんぷんをポンピング、加熱、混合、及び糊化することができるか、又は別のポンプを使用して、作動流体を流体移動装置に通過させることができる。別の構成として、２以上の流体移動装置を直列に配置して使用することにより、各流体移動装置が異なる機能を実行するように構成及び最適化することができる。例えば、第１流体移動装置がポンピング及び混合を行なう（更に初期加熱を行なう）ように構成し、第１流体移動装置の下流で第１流体移動装置に直列に取り付けられる第２流体移動装置が加熱を行なうように最適化することができる。
流体移動装置内のエネルギー強度は制御可能である。水蒸気及び／又は作動流体の流量を制御することにより、この強度を小さくして作動流体の加熱を減速し、非常に小さいせん断強度を実現することができる。これを利用して、例えば作動流体を徐々に加熱して、せん断薄膜化を生じさせることなく一定のバッチ量の作動流体を一定の温度に維持することができる。

この方法は、食品業界において広く用いられている、水和作用させることが難しいペクチン等の他の粉末を混入及び混合し、拡散及び溶解させるために用いることもできる。ペクチンは通常、食品の厚みを大きくするか、又はゲルを形成するために使用され、熱によって分解する。ある種のペクチンは、カルシウムイオンの存在下で熱可逆性ゲルを形成し、他のペクチンは十分な量の砂糖の存在下で熱不可逆性ゲルを迅速に形成する。流体移動装置によって強力な混合、攪拌、せん断、及び加熱が可能になるので、これらのゲル化プロセスが向上する。
一実施例では、流体移動装置は、６５ｋｇのバッチ量のトマトソースの製造において、でんぷんのポンプピング、混合、均質化、加熱（冷却）、及び糊化に使用されている。従来の処理では、でんぷんを糊化するにはソースを８５℃まで加熱する必要があった。ソースの混合、加熱、及び処理に流体移動装置を使用することにより、でんぷんが７０℃という従来より低いバッチ温度で糊化することが判明した。このような加熱要件の緩和と、流体移動装置によって可能になる高い効率の混合及び加熱とを組み合わせることにより、全体の処理時間が、従来のタンクで行なわれる加熱及び攪拌法よりも最大９５％も減った。

また、流体移動装置によって、混合物中において、従来の方法よりも高い割合のでんぷんが糊化することが判明した。加工でんぷんを多量に含む食品混合物に関し、高い割合（５０％超）のでんぷんが糊化されないまま残ることはめずらしいことではない。高い割合のでんぷんを糊化することにより、目標粘度を達成するために混合物に添加する必要のあるでんぷんの量を減らすことができるという明らかに実用的な利点がもたらされる。同様の効果が（比較的）高価なペクチンに観察されている。混合物に添加する必要のあるペクチンの量を減らすことにより、プロセスに非常に大きなコスト低減効果がもたらされる。
この方法はまた、醸造業に用いることができる。醸造プロセスでは、グリスト（粉砕麦芽）として知られる粉末モルトの高速混合、加熱、及び加湿と、でんぷんの糊化が必要である。これは、本発明において説明した方法を使用して行なうことができ、酵素、及びグリストの殻の両方の完全性を維持することができるという更に別の利点をもたらす。混合物の中の酵素の完全性を維持することは、後の工程ででんぷんを糖に変えるために酵素が必要であるため重要であり、同様に、ローターろ過機を用いる後の工程で効果的なろ過ケーキを形成するために、殻は特定サイズを維持する必要がある。

一実施例として提示される第２の用途は、植物性エタノール（生物燃料）製品を本発明の流体移動装置を使用して高性能化する方法である。水蒸気と作動流体との間のエネルギー移動の性質によって、植物性エタノール製品に大きな利点が得られる。高温の輸送流体（水蒸気）及び作動流体が密に混合することにより、これらの流体の間に非常に大きな熱移動量が生じ、作動流体が急激に加熱される。更に、ユニット内の高いエネルギー強度、特に水蒸気と作動流体との間の高い運動量移動量によって、作動流体に大きなせん断力が作用する。
２つ以上の流体移動装置を直列に配置して使用し、各流体移動装置が異なる機能を実行するように構成及び最適化することができる。例えば、一方の流体移動装置がポンピング及び混合を行なう（更に、一部初期加熱を行なう）ように構成し、この第１流体移動装置の下流に直列に取り付ける第２流体移動装置が加熱及び漬け込みを行なうように最適化することができる。

本発明において説明した方法を利用して、バイオマスの炭水化物ポリマーの混合、加熱、水和、及び溶出プロセスを、従来の方法よりも高速に且つ高い効率で行なうことができる。大きなせん断を使用し、且つ衝撃波を発生させることにより、活性化学成分又は生物学的成分を炭水化物ポリマーと更に効果的に密に混ぜることができ、植物体が壊れ始めるときにパルプ化することによって接触度を上げることができる。本発明に記載の方法は、高温と大きなせん断力を利用するが、酵素を破壊することなく酵素的加水分解反応プロセスに使用することにも適している。
本発明の流体移動装置の形状は、特定の用途に適した任意の便利な形状とすることができる。従って、本発明の流体移動装置は、円形、曲線形、又は直線形とすることができ、これにより、特定の用途又は大きさに流体移動装置を容易に適合させることができる。本発明の改良は、これらのうちいずれの形態の流体移動装置にも適用することができる。

従って、本発明の流体移動装置は、食品産業から廃棄物処理産業に渡る、様々な特徴を持つ産業に広く適用することができる。
本発明は、前述の特許による流体移動装置に適用される場合、特に乳化及び均質化機能を高める。乳化は、本発明の流体移動装置を還流方式で配置することによっても可能になるので、多段階処理が不要となる。この構成においては、異なる液体及び／又は固体の混合動作も、せん断機構の高性能化によって増強される。このせん断機構は、本明細書に例示したように、混合される成分の間に必要な接触度に作用する。

作動流体拡散領域内部の局所乱流によって、異なる流体及び材料、例えば粉末及びオイルの高速混合、拡散、及び均質化領域が提供される。
流体及び／又は固体の加熱は、水蒸気を輸送流体として使用する流体移動装置を有する本発明の使用により行われ、この点に関して当然ながら、本発明は、ポンピング、加熱、混合、分解等の多機能を有する。

本発明の流体移動装置は、例えば脱カフェイン化のようなエキス抽出プロセスに利用することができる。このような実施例では、流体移動装置を利用して、広い範囲の芳香剤を、液体、普通は水と、ポンピング、加熱、混入、水和、密に混合することができる。
本発明の蒸気−液滴流領域は、粉末の水和に特に有利である。水和させることが極端に難しい親水性粉末、例えばグアールガムも、この蒸気−液滴領域内において流体媒体に混入し、拡散させることができる。

上述に開示したように、本発明の流体移動装置は、運転モード、及び関連する種々の用途において多数の利点を有する。例えば、ほぼ一定の断面を有し、ボア径がボア流入口よりも決して小さくなることのない流体移動装置が「直線状貫通」構造を有することは、固体を含む流体を容易に取り扱うことができるだけでなく、あらゆる特異な材料を、抵抗を生じさせることなく装置に通過させることができることを意味する。本発明の流体移動装置は、広い範囲の粒子サイズを許容できるので、従来の排出装置とは異なり、装置の物理的収束部分の制限的性質による制限を有さない。
請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、変更及び改善を加えることができる。

本発明による流体移動装置の正面断面図である。 図１に示すせん断機構の拡大図である。 第１の実施形態の正面断面図である。 第２の実施形態の正面断面図である。 第３の実施形態の正面断面図である。 第４の実施形態の正面断面図である。 第５の実施形態の正面断面図である。 第６の実施形態の正面断面図である。 第７の実施形態の正面断面図である。 本発明の流体移動装置の流動様式を示す模式断面図である。 使用状態における本発明の流体移動装置の模式図である。 ３つの異なる運転条件下での本発明の流体移動装置における圧力を示す模式図である。 本発明の流体移動装置の模式断面図と、２つの異なる凝縮衝撃波の位置における流体移動装置内部の圧力分布を示す模式図である。 ａ及びｂは、本発明の流体移動装置の第８の実施形態の部分断面図である。

Claims (10)

1. ほぼ一定の断面を有する直線状の貫通通路であって、一端に作動流体を流入させる流入口が、他端に作動流体を排出する排出口が設けられた通路を有する中空ボディ、
   前記通路をほぼ取り囲み、且つ前記通路の流入口と排出口の中間に開口するノズル、
   前記ノズルと連通し輸送流体を導入する流入口、
   前記輸送流体の流入口と連通した制御可能な輸送流体供給源であって、前記流入口における前記輸送流体の圧力を制御するべく適合された輸送流体供給源、及び前記ノズルの下流において前記通路内部に形成される混合チャンバを備えた流体移動装置であって、
   ノズルの内部構造、及びノズル出口の直ぐ上流に位置する通路のボアプロファイルが、輸送流体と作動流体との間のエネルギー移動を最適化するように配置及び構成されることにより、使用時に、輸送流体を導入すると、１又は複数の作動流体が噴霧されて、局所的超音速流動状態を有する、輸送流体蒸気中に分散された作動流体液滴の２相流が、擬似縮流部の内部において形成され、その結果、輸送流体の凝縮によって前記混合チャンバ内に超音速凝縮衝撃波が形成され、当該流体移動装置は、前記超音波凝縮衝撃波に関連する、前記混合チャンバ内の混合流体の１または複数の特性をモニタリングする少なくとも一つのセンサ及び前記輸送流体供給源に接続されたマイクロプロセッサであって、前記少なくとも一つのセンサを通じて測定された情報に基づいて前記輸送流体供給源が前記輸送流体の圧力を制御するのを可能とするマイクロプロセッサを有する、流体移動装置。
2. 前記通路がほぼ円形の通路であり、前記ノズルが通路をほぼ取り囲む環状ノズルである、請求項１記載の流体移動装置。
3. 前記ノズルが内部に収束−発散構造を有する、請求項１又は２に記載の流体移動装置。
4. 前記ノズルが、前記通路内に前記輸送流体の超音速流を形成するように構成される、請求項３記載の流体移動装置。
5. 前記混合チャンバの上流における前記通路の内壁に、前記作動流体と前記輸送流体の相互作用に先立って作動流体流に乱流を生じさせる少なくとも一つの溝が設けられている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の流体移動装置。
6. 断面がほぼ一定の直線状貫通通路を有する流体移動装置を作動流体に適用するステップ、
   環状ノズルを通して通路をほぼ取り囲む輸送流体流を通路に噴射するステップ、
   制御可能な輸送流体源を通じて前記輸送流体の圧力を制御するステップ、
   作動流体を噴霧して、局所的に超音速流動状態を有する、輸送流体蒸気中に分散された作動流体液滴の２相流を形成するステップ、
   前記輸送流体を凝縮することにより、前記ノズルの下流において前記通路内に超音速凝縮衝撃波を形成するステップ、
   前記通路の流入口から排出口まで前記作動流体を流すステップ、
   前記超音速凝縮衝撃波に関連する、前記ノズルの下流の前記通路内の混合流体の１または複数の特性を、少なくとも一つのセンサに接続されたマイクロプロセッサを通じてモニタリングするステップ、
   前記少なくとも一つのセンサを通じて測定された情報に基づいて前記輸送流体源が前記輸送流体の圧力を制御するのを可能とするステップ、及び
   前記凝縮衝撃波を変化させて排出口からの作動流体の放出を変化させるステップを含む作動流体の移動方法。
7. 前記変化させるステップが、前記凝縮衝撃波の強度を変化させることを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記変化させるステップが、前記凝縮衝撃波の位置を変えることを含む、請求項６又は７記載の方法。
9. 更に、前記混合チャンバの上流における前記通路の内壁に設けられた少なくとも一つの溝へ前記作動流体流を導き、前記作動流体と前記輸送流体の相互作用に先立って前記作動流体流に乱流を生じさせるステップを含む、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記輸送流体が水蒸気である、請求項６ないし９のいずれか一項に記載の方法。

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