JP4879232B2 - 微細化混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液体中に微細気泡が分散する混合流体や、液体中に他の液体の微細粒子が分散する混合流体を生成する微細化混合装置に関する。

従来より、流体を微細化して他の流体に分散させてなる混合流体は、微細化された流体の粒子がバルク状態の場合と異なる物性を示すことから、多くの技術分野で活用されている。

例えば、約１０ｎｍ〜数１００ｎｍの直径のナノバブルを水中に分散させてなるナノバブル水を、汚水の浄化や、養殖における成長促進や、植物の栽培促進に利用することが研究されている。ナノバブル水の生成方法としては、水と空気の混合流体にせん断力を作用させてナノバブルを生成する気液せん断方式によるものが知られている。気液せん断方式のナノバブル生成装置としては、筒状のケーシング内に、螺旋状に形成された流路を有する上流側のスクリュー部と、流路壁に突起が配置された下流側のカッター部とを備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

このナノバブル生成装置は、ポンプでケーシング内に圧送した空気と水の混合流体に、スクリュー部で旋回力と遠心力とを付与した後、カッター部で混合流体中の気泡の分断、微細化を行ない、直径が０．５〜３μｍ程度の微細気泡を含有する気液混合流体を吐出するように構成されている。

また、ディーゼルエンジン、タービンエンジン又はボイラー等の燃料として、水油エマルジョンを用いることにより、ＣＯやＮＯｘ等の発生を低減することが研究されている。水油エマルジョンは、水又は油をサブミクロンオーダーの直径に微細化して油又は水に分散させたものであり、一般的に乳化剤が添加されて水と油の分離が抑制される。水油エマルジョンを生成する装置としては、筒状ケーシング内に、ナノメートルオーダーの微細孔が無数に形成された管状の多孔質ガラス膜を設置したものがある（例えば特許文献２参照）。

この水油エマルジョン生成装置は、乳化剤が添加された水を管状の多孔質ガラス膜内に流した状態で、ケーシングと多孔質ガラス膜の間に油を圧送することにより、微細孔を通過して微細化した油を水に混合して水油エマルジョンを生成している。
特開２００２−０８５９４９号公報 特許第２７３３７２９号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のナノバブル生成装置は、ケーシング内のスクリュー部に螺旋状の流路を有すると共に、カッター部に突起が設けられた流路を有するので、構造が複雑であり、装置の大型化とコスト高を招くという問題がある。また、螺旋状の流路と突起が設けられた流路は圧力損失が比較的大きいので、ポンプによる混合流体の圧送圧力を高く設定する必要があり、その結果、配管系統の耐圧化が必要となってコスト高を招くという問題がある。

一方、特許文献２に記載の水油エマルジョン生成装置は、多孔質ガラス膜の表裏に圧力差を与え、押し出し作用によって水又は油の微細化を行うので、水油エマルジョンの生成量に応じた多孔質ガラス膜の表面積が必要となり、装置の大型化を招くという問題がある。また、微細化を行うにあたり、水又は油が微細孔を通過する時間がかかり、微粒子の生成効率が悪いという問題がある。また、多孔質ガラス膜が破損し易いので、車両のエンジン等には適用が困難であるという問題がある。さらに、水油エマルジョンに添加された乳化剤に起因して、燃焼時に有害物質が発生する不都合がある。

そこで、本発明の課題は、少なくとも１つの流体を微細化して他の流体に分散させて微細化混合流体を生成する微細化混合装置に関し、構造が簡易で小型化が容易であり、また、安価に製造できる微細化混合装置を提供することにある。また、破損し難くて耐久性の良好な微細化混合装置を提供することにある。さらに、生成した微細化混合流体が燃料に使用された場合、微細化混合流体の燃焼に伴う有害物質の発生を削減できる微細化混合装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の微細化混合装置は、複数種類の流体が予め混合された混合流体のうちの少なくとも一種類の流体を微細化して微細化混合流体を生成する微細化混合装置であって、
混合流体が導かれる流路と、
上記流路の途中に配設され、上記流路の断面よりも小さい断面を有する縮小通路と、この縮小通路を取り囲む振動体とを有する縮小振動部材を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、流路に導かれた混合流体は、縮小振動部材の縮小通路を通る際の急縮作用と、振動体による振動作用により、少なくとも１種類の流体が微細化され、この微細化された流体が他の流体に拡散して微細化混合流体が生成される。このように、本発明の微細化混合装置は、縮小通路と振動体とを有する縮小振動部材を用いて比較的簡易な構造で構成されるので、小型化が容易であり、比較的低コストで作製できる。

また、本発明の微細化混合装置は、主に縮小通路で圧力損失が生じるので、例えば螺旋状の通路と突起が設けられた流路とを流下させる従来のナノバブル生成装置よりも圧力損失量が少ない。したがって、微細化混合装置への混合流体の供給圧を低くできるから、混合流体を供給する配管系統の耐圧規格を低くでき、コスト削減ができる。

また、本発明の微細化混合装置は、縮小振動部材による急縮及び振動作用によって流体の微細化を行うので、例えば多孔質ガラス膜を用いた水油エマルジョン生成装置よりも、小型化ができ、また、微細粒子の生成時間を短縮して効率を向上できる。さらに、流路及び縮小振動部材は、樹脂材料や金属材料で形成できるので、例えば多孔質ガラス膜で形成された従来の水油エマルジョン生成装置よりも破損し難く、良好な耐久性が得られる。

また、本発明の微細化混合装置は、縮小振動部材による急縮及び振動作用によって流体の微細化を行うので、例えば油及び水の混合流体に対して、油又は水を微細化してエマルジョンを生成する場合においても、乳化剤が不要である。したがって、この微細化混合装置により生成した微細化混合流体が油及び水を含み、燃料として使用された場合、乳化剤に起因する有害物質の発生を防止できる。

本発明において、混合流体を形成する複数種類の流体は、気体及び液体のいずれでもよく、複数の気体と複数の液体で混合流体が形成されてもよい。また、複数の液体で混合流体が形成されてもよい。

また、本発明において、微細化とは、流体の粒径を１０ｎｍ〜数１０μｍの範囲に小さくすることをいう。例えば、微細化の対象が気体である場合、直径が１０ｎｍ〜数１０μｍのマイクロナノバブルを生成することをいい、好ましくは、１０ｎｍ〜数１００ｎｍのナノバブルを生成することをいう。

一実施形態の微細化混合装置は、上記縮小振動部材は、板状体と、この板状体に形成された貫通孔と、この貫通孔に連なって板状体に形成された切り込みとを有し、
上記貫通孔が縮小通路であり、上記板状体の切り込みの隣接部分が振動体である。

上記実施形態によれば、板状体に、貫通孔と、この貫通孔に連なる切り込みとを形成することにより、縮小通路と振動体とを一体に形成することができる。したがって、少ない部品点数によって微小振動部材を作製できるので、縮小通路と振動体を別体に形成するよりも微小振動部材を容易に作製でき、微小振動部材の小型化ができ、また、微細化混合装置の組み立てを容易にできる。さらに、切り込みの寸法を適宜変更することにより、振動モードの異なる振動体を形成できるので、複数の振動モードの振動体を少ない手間で安価に製造できる。

なお、本発明において、縮小振動部材の切り込みの形状は特に限定されず、細長のスリット形状や、等辺の切欠き形状等の種々の形状を設定できる。要は、貫通孔に連なる切り込みにより、板状体の切り込みの隣接部分が振動可能となれば、切り込みの形状は限定されない。ここで、板状体の切り込みを複数個規制し、板状体の切り込みの間の部分が振動体であるのが、振動体の動数モードを容易に設定できる点で好ましい。

他の実施形態の微細化混合装置では、上記縮小振動部材は、板状体と、この板状体に形成された複数の貫通孔とを有し、
上記複数の貫通孔が縮小通路であり、上記板状体の複数の貫通孔の隣接部分が振動体である。

上記実施形態によれば、板状体に複数の貫通孔を形成することにより、混合流体に対する急縮作用と振動作用を奏することができる。ここで、上記貫通孔は、互いに異なる径を有し、板状体に偏在して形成されるのが好ましい。

一実施形態の微細化混合装置は、流路の軸線方向に複数の縮小振動部材を備える。

上記実施形態によれば、流路を流れる混合流体に、複数の縮小振動部材によって急縮作用と振動作用を順次与えることにより、効果的に微細化混合流体が得られる。ここで、混合流体に含まれる流体の種類に応じて、縮小振動部材の設置数を変更することにより、同一の部品を用いて種々の用途に対応することができる。また、生成すべき粒径に応じて縮小振動部材の数を変更することにより、同一の部品を用いて種々の粒径の微粒子を有する微細化混合流体が得られる。このように、縮小振動部材と流路の形成部材とを規格化することにより、幅広い用途及び粒子径の微細化混合流体を安価に提供することができる。

一実施形態の微細化混合装置は、流路の縮小振動部材の近傍に接続され、流路との間で混合流体が流通するように形成された緩衝容器を備える。

上記実施形態によれば、緩衝容器内で混合流体と気体との間に境界面が形成されることにより、混合流体に緩衝作用が与えられ、縮小振動部材による混合流体の微細化を促進することができる。なお、緩衝容器内で混合流体との間に境界面を形成する気体は、混合流体に含まれる流体でもよく、或いは、空気でもよい。また、緩衝容器と縮小振動部材との間に共鳴効果が得られるように形成してもよい。例えば、緩衝容器の寸法に基づいて求められる振動数を、振動体の振動数に対応した値に設定することができる。

一実施形態の微細化混合装置は、流路の軸線方向に複数の縮小振動部材を備え、
複数の縮小振動部材の間の少なくとも１箇所に、上記緩衝容器が設けられている。

上記実施形態によれば、緩衝容器を複数の縮小振動部材の間に適宜設置することにより、縮小振動部材による混合流体の微細化を促進することができる。また、縮小振動部材と流路の形成部材と共に緩衝容器を規格化することにより、縮小振動部材と流路の形成部材と緩衝容器の組み合わせを適宜設定できるので、幅広い用途及び粒子径に対応して比較的安価に微細化混合装置を製造できる。

一実施形態の微細化混合装置は、上記縮小振動部材の貫通孔が多角形に形成され、
上記縮小振動部材の切り込みが、上記多角形の貫通孔の１つの辺の両端から、各辺に対応して２本ずつ互いに平行に延在するように形成されている。

上記実施形態によれば、多角形の貫通孔の１つの辺ごとに、この辺の両端から平行に延在する２本の切り込みの間に、矩形の振動体を形成することができる。

一実施形態の微細化混合装置は、上記縮小振動部材の縮小通路が、下流側が拡径したテーパ状に形成されている。

上記実施形態によれば、混合流体の圧力損失を低減できるので、混合流体の微細化効率を向上することができる。ここで、縮小通路のテーパ状の部分は、出口側の一部であってもよく、縮小通路の全部であってもよい。

一実施形態の微細化混合装置は、混合流体は、気相の第１流体と液相の第２流体とが混合されている。

上記実施形態によれば、気相の第１流体の微細気泡を、液相の第２流体中に拡散してなる微細化混合流体が得られる。ここで、第１流体が空気であり、第２流体が水である場合、汚水の浄化や、養殖の成長促進や、植物の栽培促進に用いるマイクロナノバブル水が得られる。特に、オゾンのナノバブルを含む水は、１ヶ月以上に渡って殺菌効果等を持続できる。また、酸素が添加されていると共にナノバブルを包含する水は、生物に対する活性効果が認められる。したがって、ナノバブル及びマイクロナノバブルは、特に、医療、食品加工及び農水産業等での利用が期待できる。

ここで、第１流体の微細気泡を第２流体の水中に拡散して微細化混合流体を生成する場合、水に電解質イオンを添加し、この電解質イオンを含んだ水の中でマイクロバブルを圧壊させることにより、特にナノバブルを安定して生成することができる。これは、バブル界面に集積した電荷の静電気的反発力とイオン類とが、バブルを包み込む殻として作用したことによると考えられる。

一実施形態の微細化混合装置は、混合流体は、液相の第１流体と液相の第２流体とが混合されている。

上記実施形態によれば、液相の第１流体の微粒子を、液相の第２流体中に拡散してなる微細化混合流体が得られる。ここで、第１流体が油であると共に第２流体が水である場合、又は、第１流体が水であると共に第２流体が油である場合、燃料としてエンジン、タービン、バーナ及びボイラ等に適用可能な水油エマルジョンが得られる。なお、水油エマルジョンを燃料として利用する場合、例えばオゾン等の酸化剤を添加しておくことにより、燃料の完全燃焼を促進することができる。

本発明によれば、縮小振動部材の縮小通路によって流体に急縮作用を与えると共に、振動体によって流体に振動作用を与えることにより、簡易な構造で流体の微細化を行うことができ、小型化とコスト低減が可能な微細化混合装置が得られる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態の微細化混合装置を示す縦断面図である。この微細化混合装置１は、気体としての空気を微細化して液体としての水に分散させて、マイクロナノバブルを生成する微細化混合装置である。

この微細化混合装置１は、内部に流路２０を形成する流路管２と、流路管２内に流路２０を横断するように設置された縮小振動部材としての振動オリフィス部材３を備える。

流路管２は、円形断面を有する円筒管であり、混合流体の入口側の入口管２１と、混合流体の出口側の出口管２２とで形成されている。入口管２１と出口管２２は、塩化ビニル等の樹脂、又は、ステンレス等の金属により形成することができる。入口管２１は一端に入口開口２１ａを有し、この入口開口２１ａの周りに形成されたフランジを介して、混合流体を供給する図示しない供給管に接続される。出口管２２は一端に出口開口２２ａを有し、この出口開口２２ａの周りのフランジを介して、微細化後の混合流体を排出する図示しない排出管に接続される。

入口管２１の他端と、出口管２２の他端には、互いに螺合する螺旋溝が設けられている。入口管２１の他端の内周側には、螺旋溝に隣接して環状の段部が設けられている。また、出口管２２の他端の内周側には、螺旋溝に隣接して環状の段部が設けられている。これら入口管２１の環状段部と出口管２２の環状段部との間に振動オリフィス部材３を挟み、螺旋溝を互いに螺合することにより、入口管２１と出口管２２との間に振動オリフィス部材３を固定している。

振動オリフィス部材３は、流路管２の内周面に対してシールを行うシールリング４と、シールリング４の内周側に配置される振動オリフィス板５とを有する。図１Ｂはシールリング４の正面図であり、図１Ｃは振動オリフィス板５の正面図である。振動オリフィス板５は、ステンレス製の円盤に、貫通孔５１と、切り込みとしてのスリット５２とが形成されている。ステンレス製円盤は直径が約２２ｍｍ、厚みが約０．８ｍｍである。貫通孔５１は、振動オリフィス板５と同心の円形であり、直径が約５ｍｍに形成されている。スリット５２は、貫通孔５１の周面から径方向に延びる細長の貫通孔であり、幅が約３ｍｍ、長さが約６ｍｍに形成されている。スリット５２は１２本設置され、互いに等角度をおいた放射状をなしている。これら１２本のスリット５２，５２，・・・の間の振動オリフィス板５の部分が、振動体として機能する。

入口管２１に接続された供給管の上流側には、空気と水を予め混合する前混合装置が接続されている。前混合装置としては、例えば、水を加圧するポンプと、ポンプの吐出側に配置されて空気を吐出するエジェクタノズルとを有し、ポンプが吐出する圧力水にエジェクタノズルで空気を混合させるように形成したものを用いることができる。なお、前混合装置としては、公知の気液混合ポンプを用いてもよい。

上記微細化混合装置１は、以下のようにして動作する。まず、前混合装置が作動し、気泡を含んだ水である混合流体が、供給管を経て入口管２１に供給される。前混合装置から供給される混合流体の気泡は、直径が約数１００μｍ〜数ミリ程度であるのが好ましい。また、混合流体は、入口管２１の入口開口２１ａにおいて、流速が約１〜５０Ｌ／ｍｉｎ、かつ、圧力が約０．１〜５ＭＰａであるのが好ましい。

入口開口２１ａから流路管２の流路２０内に流入した混合流体は、振動オリフィス部材３の貫通孔５１を通過するに伴って流速が上昇すると共に下流側の圧力が低下する。この圧力の変化と流れにより、振動オリフィス板５のスリット５２，５２の間の部分が振動する。このような混合流体が貫通孔５１を通過する際の急縮作用と、振動オリフィス板５の振動作用により、混合流体の気泡が微細化され、直径が１０ｎｍ〜数１０μｍのマイクロナノバブルが生成される。こうして振動オリフィス部材３で生成されたマイクロナノバブルが水に分散してなる微細化混合流体が、出口管２２の出口開口２２ａから排出管に排出される。

以上のように、第１実施形態の微細化混合装置１は、流路管２内に振動オリフィス部材３を備える比較的簡易な構成により、マイクロナノバブルを生成することができる。したがって、この微細化混合装置１は小型化が容易であり、また、少ない部品点数で作成できてコスト削減を比較的容易に行うことができる。また、本実施形態の微細化混合装置１は、従来の旋回状の流路と突起が設けられた流路とを備えるナノバブル生成装置よりも圧力損失が小さい。したがって、従来よりも低圧及び低流速で動作できるので、耐圧対策を簡素にでき、コスト削減を行うことができる。

また、本実施形態の微細化混合装置１は、気泡の微細化を行う振動オリフィス部材３を、互いに螺合する入口管２１と出口管２２との間に固定するので、振動オリフィス部材３の交換を容易に行うことができ、メンテナンスの手間を削減できる。また、微細化混合装置１は、混合流体の供給管や排出管と概ね同じ径の円筒形状であるので、効果的に小型化を行うことができる。したがって、この微細化混合装置１を適用する各種装置の小型化を図ることができる。

この微細化混合装置１により生成したマイクロナノバブルを含む微細化混合流体は、ミクロンレベルの気泡を含む水と比較して特有の物理化学特性を有し、例えば、水質浄化や、養殖における成長促進や、植物の栽培促進に利用することができる。なお、本実施形態の微細化混合装置１は、微細化混合流体の使用目的に応じて、空気に替えて酸素や他の気体を混合することができる。

上記実施形態において、振動オリフィス部材３には、微細化する気体の種類や、気泡を分散させる流体の種類や、予め混合される気泡の大きさや、混合流体の流速に応じて、種々の形状の振動オリフィス板５を採用することができる。例えば、図１Ｄに示すように、スリット５２の長さを長く形成することができ、これにより、振動オリフィス板５のスリット５２相互間に形成される振動体の固有振動数を低減させて、低流速の混合流体の微細化に適した振動オリフィス部材３が得られる。

また、振動オリフィス板５の貫通孔５１は、混合流体の流れ方向に向かって径が拡大するテーパ形状に形成するのが好ましく、これにより、急縮作用を安定して奏することができる。

（第２実施形態）
図２Ａは、本発明の第２実施形態の微細化混合装置を示す縦断面図である。この微細化混合装置１１は、第１液相流体としての油を微細化し、第２液相流体としての水に分散させて、微細化混合流体としての水油エマルジョンを生成する微細化混合装置である。

この微細化混合装置１１は、第１実施形態の微細化混合装置１の構成部品と同様の部品を用いて構成され、内部に流路２０を形成する流路管２内に、縮小振動部材としての振動オリフィス部材３が２つ設置されている。第２実施形態において、第１実施形態と同一の部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。

流路管２は、第１実施形態の微細化混合装置と同様の入口管２１と出口管２２との間に、中継管２３を配置している。中継管２３の両端には、螺旋溝と環状段部が設けられている。中継管２３の一端の環状段部と入口管２１の他端の環状段部との間に振動オリフィス部材３を挟んで螺旋溝が互いに螺合し、また、中継管２３の他端の環状段部と出口管２２の他端の環状段部との間に振動オリフィス部材３を挟んで螺旋溝が互いに螺合している。これにより、入口管２１と中継管２３と出口管２２との間に、夫々振動オリフィス部材３を固定している。

第２実施形態の振動オリフィス板５は、図２Ｂに示すように、正六角形の貫通孔１５１を中央に有し、この正六角形の貫通孔１５１の各辺の両端から、互いに平行かつ貫通孔１５１の各辺と直角をなす２つのスリット１５２，１５２が設けられている。これにより、正六角形の貫通孔１５１の頂点から、２つのスリット１５２，１５２が隣り合う辺に対して夫々直角方向に延びている。これらのスリット１５２，１５２，・・・の間に、貫通孔１５１の各辺の外径側に延びるリード状の振動体と、貫通孔１５１の頂点の外径側に延びる鋭角の振動体を形成している。スリット１５２の長さは、貫通孔１５１の対向する辺間の距離の約１．５倍程度の長さに設定されている。

第２実施形態の微細化混合装置１１は、入口管２１に接続された供給管の上流側に、油と水を予め混合する混合ポンプが接続されている。混合ポンプは、公知のミキシングポンプを用いることができる。

第２実施形態の微細化混合装置１１は、ミキシングポンプから供給された水と油の混合流体が、供給管を経て入口管２１に供給される。ミキシングポンプから供給される混合流体は、直径が約数１００μｍ〜数ミリ程度の粒径の油が水に分散しているのが好ましい。また、水と油の混合流体は、入口管２１の入口開口２１ａにおいて、流速が約１０〜５０ｍ／ｓ、かつ、圧力が約０．３〜１ＭＰａであるのが好ましい。

入口開口２１ａから流路管２の流路２０内に流入した混合流体は、２つの振動オリフィス部材３を通過することにより、各振動オリフィス部材３の貫通孔１５１を通過する際の急縮作用と、振動オリフィス板５の振動作用が繰り返される。これにより、油粒子が微細化され、直径が１０ｎｍ〜数１０μｍの油の微粒子が生成され、この油微粒子が水に分散した水油エマルジョンが得られる。こうして生成された水油エマルジョンが出口管２２の出口開口２２ａから排出管に排出され、排出管の下流側に接続されたプランジャポンプ等の燃料噴射装置を通して、バーナやエンジン等に供給される。

本実施形態の微細化混合装置１１によれば、流路管２内に複数の振動オリフィス部材３を備える比較的簡易な構成により、水油エマルジョンを生成することができる。したがって、この微細化混合装置１１は、多孔質ガラス膜で油の微細化を行う従来の水油エマルジョン生成装置よりも、小型化ができる。また、振動オリフィス部材３の急縮作用と振動作用によって油の微細化を行うので、従来の水油エマルジョン生成装置よりも油粒子の生成時間を大幅に短縮でき、したがって、水油エマルジョンの生成効率を効果的に向上できる。さらに、本実施形態の微細化混合装置１１は、一般的な樹脂材料や金属材料で作製できるので、ガラス材料を用いた従来の水油エマルジョン生成装置よりも良好な耐久性が得られる。したがって、車両のエンジン等の振動や衝撃を受ける環境下においても安定して水油エマルジョンを生成できる。

本実施形態において、油としては、軽油、灯油、重油又は植物油、或いは廃油等の種々の油を採用できる。特に、本実施形態の微細化混合装置１１は、Ｃ重油や廃動植物油のような粘性の高い油を効果的に微粒子化することができる。粘性の高い油を微粒子化する場合、振動オリフィス部材３の個数を２以上とするのが好ましい。また、上流側の振動オリフィス部材３の貫通孔１５１よりも、上流側の振動オリフィス部材３の貫通孔１５１を小さく形成すると共に、上流側の振動オリフィス部材３の振動オリフィス板５の厚みよりも、上流側の振動オリフィス部材３の振動オリフィス板５の厚みを小さくするのが好ましい。これらの構成により、下流側の振動オリフィス部材３に向かうにつれて、混合流体に与える急縮作用及び振動作用が増大し、粒子径を順次小さくして微粒子化を効果的に行うことができる。なお、振動オリフィス部材３の振動作用は、スリット１５２の長さや配置位置を変えて調整してもよい。

このように、粘性度に応じて振動オリフィス部材３の個数や設定を適宜変更することにより、種々の油を微粒子化することができる。

また、本実施形態の微細化混合装置１１は、油を微粒子して水に分散させる以外に、水を微粒子化して油中に分散させることもできる。

上記実施形態において、振動オリフィス部材３には、図２Ｃに示すような振動オリフィス板５を用いてもよい。この振動オリフィス板５は、正六角形の貫通孔１５１の各辺の両端から各辺と直角方向に延在するスリット１５２，１５２を短く形成したものであり、図２Ｂの振動オリフィス板５よりも、スリット１５２，１５２，・・・の間に形成される振動体の固有振動数を低く設定できる。これにより、高流速の混合流体の微細化に適した振動オリフィス部材３が得られる。また、低粘性の流体に対して微細化の効果を高めることができる。

また、振動オリフィス板５の貫通孔１５１は、混合流体の流れ方向に向かって径が拡大するテーパ形状に形成するのが好ましく、これにより、急縮作用を安定して奏することができる。

（第３実施形態）
図３Ａは、本発明の第３実施形態の微細化混合装置１０１を示す縦断面図である。この微細化混合装置１は、気体としての空気を微細化して液体としての水に分散させて、マイクロナノバブルを生成する微細化混合装置である。

この微細化混合装置１０１は、第１実施形態の微細化混合装置１に、緩衝容器６を備えたものである。本実施形態において、第１実施形態と同一の部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。

本実施形態の微細化混合装置１０１は、流路管２の側面に、流路管２の軸線と略直角に延在する緩衝容器６が設けられている。この緩衝容器６は、流路管２の中継管２３の側面に固定されて流通管２内に連通する円筒管６１と、この円筒管６１の上端に固定されたキャップ６２とを有する。この微細化混合装置１０１は、緩衝容器６内に空気が残留した状態で、混合流体が流路管２内に供給される。緩衝容器６内の空気により、混合流体に対する緩衝作用が得られるので、振動オリフィス部材３により混合流体の気泡の微細化を促進することができる。

図３Ｂは、本実施形態の変形例の微細化混合装置１１１を示す縦断面図である。この微細化混合装置１１１は、図３Ａの微細化混合装置１０１を流路管２の軸線方向に順次接続して形成されている。すなわち、変形例の微細化混合装置１１１は、入口管２１と出口管２２との間に複数の中継管２３を配置し、各中継管２３の間に振動オリフィス部材３を配置すると共に、中継管２３に一つおきに緩衝容器６を配置している。変形例の微細化混合装置１１１によれば、複数の振動オリフィス部材３による急縮作用及び振動作用と、緩衝容器６による緩衝作用により、微細化効果をさらに高めることができる。したがって、気体と液体の混合流体以外に、粘性の高い液体と液体の混合流体に対して微細化を行うことができる。

図３Ｃは、本実施形態の変形例の微細化混合装置１０２を示す縦断面図である。この微細化混合装置１０２は、タンク型の緩衝容器６を備えたものである。この緩衝容器６は、中継管２３の側面に固定されて中継管２３内に連通する接続管６５と、接続管６５に接続されたタンク６６とを有する。タンク型の緩衝容器６により、混合流体に対する緩衝作用を増大することができる。

（第４実施形態）
図４Ａは、第４実施形態の振動オリフィス部材３の振動オリフィス板５を示す平面図である。本実施形態の振動オリフィス板５は、大径の大貫通孔５５と小径の小貫通孔５６が設けられている。大貫通孔５５と小貫通孔５６は、直径の比率が２．５：１に設定されており、同一直径上に偏心して配置されている。大貫通孔５５と小貫通孔５６は、図４Ｂの断面図に示すように、一方から他方の面に向かって径が拡大するテーパ形状に形成されており、小貫通孔５６の拡大断面図である図４Ｃに矢印Ａで示すように、混合流体が大貫通孔５５と小貫通孔５６を小径側から大径側に向かって流れる。これにより、大貫通孔５５と小貫通孔５６との両方において急縮作用が得られると共に、振動オリフィス板５の大貫通孔５５と小貫通孔５６の隣接部分に振動作用が得られる。その結果、例えば空気と水の混合流体のうちの空気が微細化され、マイクロナノバブルが生成される。また、例えば油と水の混合流体のうちの油が微細化され、水油エマルジョンが生成される。

本実施形態において、大貫通孔５５と小貫通孔５６は、同一直径上に配置しなくてもよく、円形の振動オリフィス板５に偏心して配置されていればよい。また、大貫通孔５５と小貫通孔５６の直径の比率は、混合流体の種類や流速に応じて他の比率に設定することもできる。

（第５実施形態）
図５は、本発明の微細化混合装置を用いて構成した燃料供給装置を示す図である。この燃料供給装置８は、水と油を混合してなる水油エマルジョンを生成してバーナに供給する装置である。この燃料供給装置８は、水を貯留する水タンク８１と、油を貯留する油タンク８２と、水タンク８１からの水と油タンク８２からの油とを前混合状態で圧送するポンプ８３と、ポンプ８３から圧送された水と油の混合流体を微細化して水油エマルジョンを生成する微細化混合装置８４と、微細化混合装置８４からの水油エマルジョンを外気に対して気密状態で貯留する貯留装置８５で構成されている。

水タンク８１と油タンク８２は、貯留装置８５からのオーバーフローを戻す戻し管８７に接続されている。水タンク８１と戻し管８７との間には、流量制御弁１０１と流量計１０２が介設されている。油タンク８２と戻し管８７との間には、流量制御弁２０１と流量計２０２が介設されている。各流量計１０２，２０２の計測値に基づいて、流量制御弁１０１，２０１の開度が調整されて、戻し管８７に適量の水と油が供給されるようになっている。なお、流量制御弁１０１，２０１は、流量計１０２，２０２の計測値以外に、貯留装置８５からバーナへの水油エマルジョンの供給量に基づいて制御してもよい。

水タンク８１の水には、電解質としての食塩と、酸化剤としてのオゾンが添加されている。食塩により、水又は油が微粒子化された際の安定化を促進することができ、長期に渡って油水分離を効果的に防止することができる。また、オゾンにより、水と油の微粒子混合流体が燃料として燃焼する際、水及び油からの生成物の酸化を促して、燃料の完全燃焼を促進することができる。

ポンプ８３は、水と油の混合流体を適切に加圧できればよく、水と油の攪拌機能は不要である。このポンプ８３から送られた所定圧力及び流量の混合流体は、第２実施形態の微細化混合装置１１と同様の構成の微細化混合装置８４に供給される。ポンプ８３の吐出量は、水タンク８１の流量計１０２の計測値と、油タンク８２の流量計２０２の計測値とに基づき、また、供給管８９を通したバーナへの供給量に基づいて制御する。

ポンプ８３から送られた混合流体が、微細化混合装置８４で水又は油が微細化されて水油エマルジョンが生成される。微細化混合装置８４で生成された水油エマルジョンは、貯留装置８５に供給される。

貯留装置８５は、水槽５０１と、水槽５０１内に配置されて下端が開放されたドーム容器５０２と、ドーム容器５０２内に配置されて微細化混合装置８４からの水油エマルジョンを受ける受容器５０３と、受容器５０３から溢れた余剰の水油エマルジョンを回収する回収容器５０４を有する。水槽内５０１内に収容された各容器類は、水槽５０１内の水によって大気と遮断されるようになっている。受容器５０３に流入した水油エマルジョンは、供給管８９を介して図示しないバーナ本体に送られて燃焼する。一方、余剰の水油エマルジョンは回収容器５０４から戻し管８７を介してポンプ８３に吸引される。

本実施形態の燃料供給装置によれば、微細化混合装置８４により、直径が１０ｎｍ〜数１０μｍの水又は油の微粒子を生成できるので、乳化剤を添加しなくても微粒子が長時間に亘って保持される。したがって、水油エマルジョンを燃料として用いても、乳化剤の燃焼に起因する有害物質の生成を防止できる。また、水油エマルジョンの微粒子を持続できるので、エマルジョン形成の後に貯留装置８５に貯留しても、再度攪拌等を行うことなくプランジャ等の加圧装置を介してバーナに送ることができる。したがって、燃料供給装置の構成部品を少なくでき、また、バーナへの燃料供給量の制御を容易かつ良好な応答で行うことができる。

本実施形態の燃料供給装置は、水と混合する油として、軽油、灯油、重油又は植物油、或いは廃油等を用いることができる。

また、本実施形態の燃料供給装置は、バーナ以外に、エンジンやタービン等に用いることができる。

また、上記各実施形態において、振動オリフィス部材３の振動オリフィス板５は、例えばエンジニアプラスチックや繊維強化プラスチック等の樹脂や、ステンレスやチタン等の金属等、混合流体に応じて種々の材料を採用することができる。

本発明の第１実施形態の微細化混合装置を示す縦断面図である。 振動オリフィス部材のシールリングを示す正面図である。 振動オリフィス部材の振動オリフィス板を示す正面図である。 変形例の振動オリフィス板を示す正面図である。 第２実施形態の微細化混合装置を示す縦断面図である。 振動オリフィス部材の振動オリフィス板を示す正面図である。 変形例の振動オリフィス板を示す正面図である。 第３実施形態の微細化混合装置を示す縦断面図である。 変形例の微細化混合装置を示す縦断面図である。 変形例の微細化混合装置を示す縦断面図である。 第４実施形態の振動オリフィス部材の振動オリフィス板を示す平面図である。 振動オリフィス板の断面図である。 振動オリフィス板の小貫通孔の拡大断面図である。 第５実施形態の燃料供給装置を示す図である。

符号の説明

１ 微細化混合装置
２ 流路管
３ 振動オリフィス部材
４ シールリング
５ 振動オリフィス板
２１ 入口管
２２ 出口管
５１ 貫通孔
５２ スリット

Claims (7)

1. 複数種類の流体が予め混合された混合流体のうちの少なくとも一種類の流体を微細化して微細化混合流体を生成する微細化混合装置であって、
   混合流体が導かれる流路と、
   上記流路の途中に配設され、上記流路の断面よりも小さい断面を有する縮小通路と、この縮小通路を取り囲む振動体とを有する縮小振動部材を備え、
   上記縮小振動部材は、板状体と、この板状体に形成された貫通孔と、この貫通孔に連なって板状体に形成された切り込みとを有し、
   上記貫通孔が縮小通路であり、上記板状体の切り込みの隣接部分が振動体であり、
   上記縮小振動部材の貫通孔が多角形に形成され、
   上記縮小振動部材の切り込みが、上記多角形の貫通孔の１つの辺の両端から、各辺に対応して２本ずつ互いに平行に延在するように形成されていることを特徴とする微細化混合装置。
2. 請求項１に記載の微細化混合装置において、
   流路の軸線方向に複数の縮小振動部材を備えることを特徴とする微細化混合装置。
3. 請求項１に記載の微細化混合装置において、
   流路の縮小振動部材の近傍に接続され、流路との間で混合流体が流通するように形成された緩衝容器を備えることを特徴とする微細化混合装置。
4. 請求項３に記載の微細化混合装置において、
   流路の軸線方向に複数の縮小振動部材を備え、
   複数の縮小振動部材の間の少なくとも１箇所に、上記緩衝容器が設けられていることを特徴とする微細化混合装置。
5. 請求項１に記載の微細化混合装置において、
   上記縮小振動部材の縮小通路が、下流側が拡径したテーパ状に形成されていることを特徴とする微細化混合装置。
6. 請求項１に記載の微細化混合装置において、
   混合流体は、気相の第１流体と液相の第２流体とが混合された流体であることを特徴とする微細化混合装置。
7. 請求項１に記載の微細化混合装置において、
   混合流体は、液相の第１流体と液相の第２流体とが混合された流体であることを特徴とする微細化混合装置。

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