JP2011219628A - エマルション燃料の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば、油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）のエマルション燃料を連続して製造することができるエマルション燃料の製造装置を提供する。
【解決手段】 微細な気泡が混入した気泡水が回転している中空軸２内に送り込まれると、中空軸２の外周部に形成された開口８内の気泡水には中空軸２内の気泡水よりも中空軸２の板厚分だけ遠心力が強く作用するため、開口８内の気泡水はケース１内の油相中に分散相として供給され、その結果、ケース１内には油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料が作製される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、重油、軽油、ガソリンなどの燃料（油相）中に水滴（水相）が分散し、その水滴中に空気、酸素、水素あるいはこれらの混合物の微細気泡（気相）が分散した油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料の製造装置に関する。

従来から油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料が提案されている。この油中水滴型エマルション燃料は、図５に示すように連続相を油（燃料）、分散相を水としたもので、このエマルション燃料を燃焼室内に噴霧すると、水滴が急激に加熱されて微爆発（水蒸気爆発）を起こし、水滴の周囲にあった重油などの燃料を微細化して拡散させ、微細化することで燃料と空気との接触面積を大きくし、完全燃焼させ、発生熱量を高めつつ燃費を抑制することを目的としている。

このようなエマルション燃料として、特許文献１が知られている。特許文献１には、体積比で１０％〜３５％の水と９０％〜６５％の燃料の混合物に、ＨＬＢ値が８．９〜８．３の範囲で１％水溶液のＰＨ値が２．８〜２．２となる脂肪酸エステル系の非イオン性界面活性剤を０．１％〜１％混合したＷ／Ｏ型エマルション燃料が開示されている。

また、最近では油中水滴型或いは水中油滴型エマルション燃料の改良として、気相を添加したエマルション燃料が特許文献２、３、４として提案されている。

特許文献２には、水を電気分解して得られるブラウンガス（水素と酸素の比率が２：１のガス）を水に溶解させ、このブラウンガスが溶解した水と油（燃料）とを混合させ、水と油とを化学的に結合させる提案がなされている。

特許文献３には、水を電気分解して得られる気泡（ブラウンガス）を水に混合し、この気泡が混合した水を油に攪拌混合してエマルション燃料とすることが開示されている。

特許文献４には、エマルション燃料製造装置として、油、水および乳化剤と、酸素ガス、酸素含有気体または水素含有気体からなる気体とを同時に加圧下で混合することが開示されている。

特開２００４−０１０７６５号公報 特開２００９−１０２６００号公報 特開２０１０−００７０３８号公報 特開２０１０−０３１０７０号公報

上述した特許文献１などに記載される２相系のエマルション燃料は、理論的には図５に示すような微爆発（水蒸気爆発）を起こして燃料が微細化するはずであるが、実際には水滴の径が不揃いなため、全ての水滴が水蒸気爆発を起こすわけではなく、発生熱量や粘性の問題を解消できていないのが現状である。また、水の添加量が多くなると着火不良を起こす問題もある。

特許文献２に開示される燃料は、水と油が化学的に結合することを前提としており、エマルション状態ではないと考えられる。

特許文献３には、気泡が混合した水と油を混合してエマルション燃料とすることが提案されているが、発明の詳細な説明では、水と油が混合したエマルション燃料を先ず作製し、これに気泡を混合する手段を開示している。
このような方法で気泡を混合すると、気泡が入り込むのは分散相ではなく連続相と考えられ、連続相が水の場合にのみ水に気泡が混合されることになる。水が連続相になるには、水と油の混合比において水が５０％以上でなければならず、このように水の混合比率が大きなエマルション燃料は着火の不具合や燃焼熱の不足を招いてしまう。

特許文献４に開示される装置は、油相、水相および気相を同時に混合するため、連続相である油相中には気泡は存在せず、分散相である水相中のみに気泡が存在する油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料を製造することができない。

連続相である油相中には気泡は存在せず、分散相である水相中のみに気泡が存在する油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料または気泡はないが微細な均一な水滴を分散相とした油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料を製造するため、第１発明に係るエマルション燃料の製造装置は、油相の供給口とエマルション燃料の取出し口を備えたケースと、このケースに回転自在に保持される中空軸とからなり、この中空軸の外周部には回転に伴う遠心力で中空軸内の気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口が形成され、また前記中空軸の端面には水または気泡水の供給口が取付けられた構成とした。

前記中空軸に形成する開口としては、直径が５０μｍ〜１ｍｍ程度の規則的なものや多孔質状に不規則に形成されているものでもよい。また気泡を混合する場合には、空気、酸素、ブラウンガス、水素あるいはこれらのガスを混合したガスなどの着火性、燃焼性を向上するものを選択する。

また、第２発明に係るエマルション燃料の製造装置は、油相の供給口とエマルション燃料の取出し口を備えたケースと、このケースに回転自在に保持される中空軸とからなり、この中空軸の外周部には回転に伴う遠心力で中空軸内の気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口が形成され、また前記中空軸の端面には水の供給口と気泡生成部材が取付けられた構成とした。

前記気泡生成部材としては、超音波振動体、アスピレータ、多孔質焼結体など任意のものが使用できるが、気泡の好ましい粒径は５０ｎｍ〜１０００ｎｍと考えられるので、気泡の大きさに合せて気泡生成部材を選定する。

更に、遠心力を大きくして水滴の油相への分散を容易にするため、前記中空軸の外周部に径方向外側に伸びる複数のパイプを植設し、このパイプの外端開口を遠心力によって気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口とすることも考えられる。

また、燃料に対しては分散相となる水については、エンジンの錆発生防止のため、ｐＨが６．５〜７．５の間の中性域のものを使用する。好ましい水の添加割合としては、５％〜３０％（体積比）とする。水の添加割合が５％未満では、添加した経済的な効果が得られず、３０％を超えると発生熱量の低下が著しくなる。また水滴の大きさは１００μｍ以下とすることで微爆発しやすくなる。また、エマルションの状態にしてから短時間のうちに使用する場合には乳化剤の添加は不要であるが、エマルションの状態の持続時間を長くしたい場合には乳化剤を添加してもよい。

更に通常の水を使用することも可能であるが、エマルションを形成しやすくエマルション状態を継続するためには電解水などのイオン積が１気圧２５℃で１０^−１４より大きい水、好ましくはイオン積が１気圧２５℃で１０^{−１３．8５}以上の水を使用する。

ここで、イオン積（Ｋｗ）は水素イオン[Ｈ^＋]と水酸イオン[ＯＨ⁻]のモル濃度の積である。
一般に、純水中で１個の水素原子がイオンとして存在する確率は１．８×１０^−９で、解離定数(Ｋ)＝[Ｈ^＋]×[ＯＨ⁻]／[Ｈ_２Ｏ]＝１．８×１０^−１６ｍｏｌ／Ｌ
となる。
Ｋｗ＝[Ｈ^＋]×[ＯＨ⁻]＝(Ｋ)× [Ｈ_２Ｏ]
＝１．８×１０^−１６（ｍｏｌ／Ｌ）×[Ｈ_２Ｏ]
＝１．８×１０^−１６（ｍｏｌ／Ｌ）×５５．５６（ｍｏｌ／Ｌ）
＝１．０×１０^−１４（ｍｏｌ）^２
つまり、２５℃、一気圧におけるイオン積は、電解水を除けば、どのような水溶液であっても、１．０×１０^−１４（ｍｏｌ／Ｌ）^２となる。

デバイ・ヒュッケルの理論で知られているように水に溶解している電解質の濃度が高くなると水のイオン積は大きくなるが一定の濃度のところでイオン積が最大となり該濃度を越すと水のイオン積は逆に小さくなる。この水のイオン積の最大値は電解質の種類により異なるが強電解質の場合は０．５モル付近で最大になる。また希薄電解質溶液である水に外部エネルギーを印加した場合にも水のイオン積が大きくなることが報告されている。水のイオン積が大きくなることは水分子のイオン化が促進されることを意味し、水分子のネットワークを構成している水素結合が切れやすい状態になっていることを意味する。このように水分子間に形成される水素結合が切れやすくなっているので、水の表面張力も小さくなり油と分子レベルで馴染みやすくなってミクロな乳化が促進され、理想的なエマルションが形成され、水の微爆発が起こりやすくなると考えられる。

本発明に係るエマルション燃料の製造装置によれば、燃料（油相）中に均一な粒径の水滴（水相）が分散した油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料、或いは更に前記水滴中に空気、酸素、水素あるいはこれらの混合物の微細気泡（気相）が分散した油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料を連続して製造することができる。

本発明に係るエマルション燃料の製造装置の断面図 別実施例に係るエマルション燃料の製造装置の断面図 別実施例に係るエマルション燃料の製造装置の断面図 本発明に係る製造装置によって製造した油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料の模式図 従来の油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料の燃焼機構を説明した図

以下に本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図１に示すように本発明に係るエマルション燃料の製造装置は、床や台に固定されたケース１内に中空軸２がシール材３を介して回転自在に挿着されている。

ケース１には燃料の供給口４および製造されたエマルション燃料の取出し口５が接続され、また中空軸２はケース１に外径拘束され、モータ６の回転がタイミングベルト７を介して中空軸２に伝達される。

前記中空軸２の外周部には多数の開口８が形成されている。この開口８は水滴の径を規制するものであり、５０μｍ〜１ｍｍ程度の直径とする。尚、中空軸２の素材として外周部に多孔質セラミックを使用してもよい。

また、前記中空軸２の端面の中心部には気泡水または水の供給口９が軸方向に沿って接続され、この供給口９には三方弁１０を介して微細気泡発生装置１１によって微細な気泡が混入した気泡水または水が選択的に中空軸２内に送り込まれる。図４右上の部分は気泡水の模式図を示している。

微細な気泡が混入した気泡水が回転している中空軸２内に送り込まれると、中空軸２の外周部に形成された開口８内の気泡水には中空軸２内の気泡水よりも中空軸２の板厚分だけ遠心力が強く作用するため、開口８内の気泡水はケース１内の油相中に分散相として供給され、その結果、ケース１内には図４左下の部分に模式的に示す油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料が作製される。

図２は別実施例に係るエマルション燃料の製造装置の断面図であり、この実施例にあっては、中空軸２の一方の端面の中央に水の供給口１２が軸方向に沿って接続され、中空軸２の他方の端面の中央に気泡生成部材１３が軸方向に沿って挿入されている。

前記気泡生成部材１３としては中心部にガスの通路を形成した多孔質体やガスの供給管と超音波振動板とを組み合わせたものが考えられる。

図３は別実施例に係るエマルション燃料の製造装置の断面図であり、この実施例にあっては、中空軸２の外側に筒体１４を設け、筒体１４の両端と中空軸２の外周面との間をプレート１５、１５で閉塞し、更に筒体１４と中空軸２の外周部との間に複数のパイプ１６を架設し、パイプ１６の内側端を中空軸２内に開口せしめ、パイプ１６の外側端をケース１内に開口せしめている。

前記パイプ１６は中空軸２の軸を中心として径方向外側に伸びているため、その長さ分だけ遠心力が加わり、パイプ１６の外端部から水滴がスムーズに油相（燃料）内に分散してゆく。

本発明に係るエマルション燃料の製造装置は、船舶、ボイラー、自動車など燃料を用いる多くの分野で利用できる。

１…ケース、２…中空軸、３…シール材、４…燃料の供給口、５…エマルション燃料の取出し口、６…モータ、７…タイミングベルト、８…開口、９…水または気泡水の供給口、１０…三方弁、１１…微細気泡発生装置、１２…水の供給口、１３…気泡生成部材、１４…筒体、１５…プレート、１６…パイプ。

Claims (3)

1. 重油、軽油、ガソリンなどの油相および水相またはこれらと気相からなるエマルション燃料の製造装置であって、このエマルション燃料の製造装置は油相の供給口とエマルション燃料の取出し口を備えたケースと、このケースに回転自在に保持される中空軸とからなり、この中空軸の外周部には回転に伴う遠心力で中空軸内の気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口が形成され、また前記中空軸の端面には水または気泡水の供給口が取付けられていることを特徴とするエマルション燃料の製造装置。
2. 重油、軽油、ガソリンなどの油相、水相および気相の３相からなるエマルション燃料の製造装置であって、このエマルション燃料の製造装置は油相の供給口とエマルション燃料の取出し口を備えたケースと、このケースに回転自在に保持される中空軸とからなり、この中空軸の外周部には回転に伴う遠心力で中空軸内の気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口が形成され、また前記中空軸の端面には水の供給口と気泡生成部材が取付けられていることを特徴とするエマルション燃料の製造装置。
3. 請求項１または２に記載のエマルション燃料の製造装置において、前記中空軸の外周部には径方向外側に伸びる複数のパイプが植設され、このパイプの外端開口を遠心力によって気泡を含む水を微細水滴としてケース内の油相中に送り込む開口としたことを特徴とするエマルション燃料の製造装置。
   
   
   
   
   

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