JP2006008852A - エマルション燃料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃費向上の効果が高く、分散安定性に優れたエマルション燃料を製造する製造方法を提供する。
【解決手段】 ５〜５０重量％の水又は植物油と燃料油とを攪拌機１により混合するエマルション燃料の製造方法である。この攪拌機１は、相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材２及び第二部材３と、これら部材２，３対向面間において形成された流路と、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部６，７と、突出部６，７相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみ８２，８３とを備える。近接するロータ側くぼみ８２とステータ側くぼみ８３とは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法に関するものである。

燃費の向上や排気ガス中における有害物質の発生低減のため、重油、軽油、灯油等の燃料油と水とを混合して製造されるエマルション燃料が種々検討されている。エマルション燃料には、水中に油粒子が分散したＯ／Ｗ（Oil in Water）型と、油中に水粒子が分散したＷ／Ｏ（Water in Oil）型の２タイプがある。水と油とは、通常は２相に分離してしまうものであるから、エマルション化して分散安定性を図るべく、安定剤あるいは乳化剤（界面活性剤等）を添加し且つ攪拌機等を用いて充分に混合する必要がある。特許文献１には、所定のＨＬＢ値に設定された界面活性剤を乳化剤とするエマルション燃料の製造方法が記載されている。この特許文献１では、さらにエマルション燃料の製造装置として、外縁部に複数の棒状翼を備えた回転子と、円筒形の網状スクリーンとを備えた回転子とを一体にして回転するように構成された装置が記載されている（特許文献１参照。）。
特開平２００３−１１３３８５号公報（請求項１、請求項３、図２）

上述した従来の製造装置により製造されたエマルション燃料は、燃費向上の効果が充分に得られなかった。また、上記の従来技術では、界面活性剤のＨＬＢ値を考慮することにより分散安定化を図ろうと試みているものの、実際には分散安定性に乏しかった。そのため、上記従来技術では、撹拌装置を燃料タンクと燃焼装置との間に直結するインライン方式とすることにより、撹拌直後の燃料を燃焼装置に供給する方式とし、長時間放置に伴う油水分離現象を防止することが必要とされていた（特許文献１の［００１９］参照）。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃費向上の効果が高く、分散安定性に優れたエマルション燃料を製造する製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、５〜５０重量％の水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法であって、前記攪拌機は、混合される流体の流入口及び混合後の流体の排出口と、所定の回転軸まわりに相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材の対向面間において形成され、前記流入口から前記排出口にまで連通する流路と、前記回転軸と同軸で前記第一部材及び第二部材に設けられ、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部と、前記突出部相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみと、を備えると共に、近接する前記第一部材のくぼみと前記第二部材のくぼみとは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している攪拌機であることを特徴とする。

上記の攪拌機により撹拌すると、突出部により流体が激しく撹拌されるとともに、流体は互いに相対回転する第一部材と第二部材との間で剪断力を与えられる。また、流路の一部を構成するくぼみ内において渦が発生して混合効率を高める。さらに、流路を通過する課程において、流体は、遠心力の作用により、軸方向位置が重なり且つ互いに向き合って開放しているくぼみ相互間を移送されることとなる。よって、くぼみ内で発生した渦同士が衝突するとともに、くぼみ間移送による位置交換や上記剪断力などが複合的に作用して、極めて効率よく混合される。このような攪拌機により、５〜５０重量％の水又は植物油と燃料油とが安定的に且つ微細に分散し、結果として燃費にすぐれたエマルション燃料を製造することができる。
なお、上記「５〜５０重量％」の「重量％」とは、水又は植物油と燃料油とを混合した混合液（添加剤を入れる場合は、当該添加剤の重量を含む）に対する水又は植物油の重量％である。

前記くぼみは、前記第一及び第二部材上において、周方向の所定間隔おきに配置されているのが好ましい。この場合、円環状の突出部に複数のくぼみを効率的に配置することができる。よって、多くのくぼみを設けることが可能となり、流体の流れをより複雑なものとすることができる。

前記くぼみは球状であるのが好ましい。球状とすることで、くぼみ内で渦の発生が促進され、また、球状とすることで曲面が滑らかとなり、流体の滞留を抑制することができるから、混合効率が高まる。

また、前記攪拌機の前記突出部の外面は、軸方向に平行な円周面と、径方向に平行な径方向平面から成り、前記第一部材の前記対向面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成され、前記第二部材の前記対向面は、前記第一部材の前記対向面に対応して、全体的に円錐凹形状を有し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成されており、前記くぼみは、前記突出部の前記円周面と前記径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略１／４球状とするのが好ましい。

この場合、形状を互いに対応させた階段状の円錐凸面と円錐凹面と組み合わせることにより、相対回転する第一部材と第二部材との間の隙間を小さくしつつ複数の段差を経由する複雑な流路を形成することができる。また、各階段状の突出部のそれぞれにくぼみを設けることにより、径方向及び軸方向の異なる位置に多くのくぼみを効率的に配置することができる。また、くぼみを突出部の円周面と径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略１／４球状とすることにより、くぼみが径方向及び軸方向の両方に開放された形状となる。よって、第一部材のくぼみと第二部材のくぼみとが、同一の軸方向位置及び径方向位置で重なり合い且つ軸方向及び径方向に互いに向き合って開放した状態となるから、両くぼみ間相互の流体移送を多頻度かつ複雑に行うことが可能となる。

以上に記載したように、本発明の製造方法によれば、相対回転する各部材により生ずる剪断力、くぼみ内で発生した渦同士の衝突、くぼみ間移送による位置交換などを複合的に作用させることができ、５〜５０重量％の水又は植物油と燃料油とを安定して分散させて燃費にすぐれたエマルション燃料を製造することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の製造方法に使用される攪拌機１の一実施形態におけるミキシングヘッドｈ部分を示す断面図である。この攪拌機１は、頂点が下向きの（上下逆さの）略円錐状である第一部材としてのロータ２と、略円錐皿状である第二部材としてのステータ３とを有している。そして、ロータ２の外面である略円錐凸面とステータ３の内面である略円錐凹面とが突き合わされた状態となっている。

ロータ２は、所定隙間を介してステータ３の内部に収容されており、またロータ２とステータ３とは互いに同軸で設けられている。ロータ２やステータ３の中心軸と同軸で配置されたドライブシャフト１０は、その下端においてロータ２とボルト１１により締結されている。ドライブシャフト１０には図１において図示しないモータ１２（図５参照）が連結されており、このモータ１２によりドライブシャフト１０及びロータ２が回転するようになっている。ステータ３には、その上面を塞ぐ様に設けられた円環状のフランジ１３と、該フランジ１３からドライブシャフト１０と同軸で延在する円筒部１４とが一体化されており、円筒部１４とドライブシャフト１０との間には軸受１５が介装されている。軸受１５により、ドライブシャフト１０は円筒部１４に対して回動自在に支持されている。またフランジ１３は、軸方向に延びる３本のタイバー１６（図５参照。図１においては１本のみ図示される。）によりモータ１２の本体側に固定されている（図５参照）。以上のような構成により、ロータ２とステータ３との相対回転が可能とされている。このようにミキシングヘッドｈ部分は、分解及び洗浄がしやすい構造となっている。

ステータ３の底部には、混合される流体を流入させるための流入口４が一つ設けられている。流入口４は、ステータ３を貫通する円形の孔であり、ステータ３と同軸で設けられている。またステータ３の上部側面には、混合後の流体を排出するための排出口５が設けられている。排出口５はステータ３を貫通しており、且つ周方向の所定間隔おきに複数設けられている（図５参照）。

略円錐形状のロータ２の外面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ同軸で階段状に配列された複数のロータ側突出部６及びロータ側くぼみ８２により形成されている。ロータ側突出部６は、所定径の円環状に配列されている。以下、同一の軸方向位置に配置され円環状の配列する複数の突出部の突出端を結ぶ円の直径を「突出部の径」と表現するものとする。各軸方向位置に配列されたロータ側突出部６は、その径が大きいものほど軸方向上方に配置される。本実施形態では、同一の軸方向位置に配列されたロータ側突出部６の群は４群とされているが、２群以上であれば好ましい。

略円錐皿形状のステータ３の内面は、全体的に円錐凹形状を成し且つ同軸で階段状に配列された複数のステータ側突出部７及びステータ側くぼみ８３により形成されている。ステータ側突出部７も、ロータ側突出部６と同様、その径が大きくなるほど軸方向上方に配置される。本実施形態では、同一の軸方向位置に配置されたステータ側突出部７は５群とされているが、３群以上であれば好ましい。またステータ側突出部７の群は、ロータ側突出部６の群の数よりも１つ多い数とすると、ロータ側突出部６とステータ側突出部７とを交互に組み合わせやすくなるので好ましい。

周方向に隣り合ったロータ側突出部６の相互間にロータ側くぼみ８２が配置されており、周方向に隣り合ったステータ側突出部７の相互間にステータ側くぼみ８３が配置されている。これら突出部６，７は、円環状に突出する円環状部（図示しない）の周方向所定間隔おきにくぼみを形成することにより容易に作製することができる。

ロータ側突出部６のそれぞれの外面は、軸方向に平行なロータ側円周面６ａと、径方向に平行なロータ側径方向平面６ｂとから成る。また、ステータ側突出部７のそれぞれの外面は、軸方向に平行なステータ側円周面７ａと、径方向に平行なステータ側径方向平面７ｂとから成る。

このように、第一部材であるロータ２と第二部材であるステータ３との対向面は、同軸でかつ階段状に連続して配列された複数の突出部６，７とくぼみ８２，８３とにより形成されている。
そして、ロータ２の対向面とステータ３の対向面とは、互いに対応した形状とされている。本実施形態では、全てのロータ側突出部６及びステータ側突出部７において、ロータ側円周面６ａの軸方向幅（高さ）とステータ側円周面７ａ軸方向幅（高さ）とが同一とされ、且つ、ロータ側径方向平面６ｂの径方向幅とステータ側径方向平面７ｂの径方向幅とが略同一（ロータ側のほうが径方向間隔ｋの分だけ小さい）とされている。そして、４つのロータ側突出部６の群を径の小さい方から順に６１，６２，６３，６４とし、５つのステータ側突出部７の群を径の小さい方から順に７１，７２，７３，７４，７５すると、ロータ側突出部６の群のうち最小径である第一ロータ側突出部６１のロータ側円周面６ａの外径ｄ６１は、ステータ側突出部７の群のうち２番目に径の小さい第二ステータ側突出部７２のステータ側円周面７ａの内径ｄ７２と略同一（外径ｄ６１よりも内径ｄ７２のほうが径方向間隔ｋの分だけ大きい）とされている。同様に、ロータ側突出部６の群のロータ側円周面６ａの外径は、該ロータ側突出部６と同一の軸方向位置で重なり合うステータ側突出部７の群のステータ側円周面７ａの内径と略同一となっている。そして、ロータ側突出部６のロータ側径方向平面６ｂと、該ロータ側突出部６と同一の径方向位置で重なり合うステータ側突出部７のステータ側径方向平面７ｂとは、距離ｄの軸方向間隔を介して対向している。かかる構成により、ロータ側突出部６とステータ側突出部７との対向間隔を小さくして、ロータ２とステータ３との対向面間に形成された流路を流れる流体に強い剪断力を与えることを可能としている。

各突出部６、７のそれぞれには、該突出部６，７の相互間に設けられ流体の流路の一部を構成するくぼみとして、ロータ側くぼみ８２及びステータ側くぼみ８３が設けられている。図２は、ロータ２をステータ３との対向面側（図１における下側）から見た場合におけるロータ側くぼみ８２の配列を示す平面図であり、図３は、ステータ３をロータ２との対向面側（図１における上側）から見た場合におけるステータ側くぼみ８３の配列を示す平面図である。

図２に示すように、ロータ側くぼみ８２は、各ロータ側突出部６の相互間に周方向の所定間隔おきに設けられている。ロータ側くぼみ８２の大きさ（球面の直径）及び間隔は略同一とされているので、径方向外側にいくほど多くのロータ側くぼみ８２が設けられている。例えば、ロータ側突出部６の群うち最も小径の第一ロータ側突出部６１の相互間には６つのロータ側くぼみ８２が設けられているのに対して、２番目に小径の第二ロータ側突出部６２には９つのロータ側くぼみ８２が設けられている。
同様に、図３に示すように、ステータ側くぼみ８３は、各ステータ側突出部７の相互間に周方向の所定間隔おきに設けられている。ステータ側くぼみ８３の大きさ（球面の直径）及び間隔は略同一とされているので、径方向外側にいくほど多くのステータ側くぼみ８３が設けられている。例えば、ステータ側突出部７の群うち最も小径の第一ステータ側突出部７１の相互間には３つのステータ側くぼみ８３が設けられているのに対して、２番目に小径の第二ステータ側突出部７２の相互間には６つのロータ側くぼみ８２が設けられている。
このように、各ロータ側突出部６及びステータ側突出部７の相互間にくぼみ８２，８３を周方向の所定間隔おきに設けることにより、多数のくぼみ８２，８３を効率よく配置することができ、より複雑な撹拌が可能となる。

各くぼみ８の形状は、いずれも同一直径の球状とされている。球状とすることで、くぼみ内で渦の発生が促進され、また、球状とすることで曲面が滑らかとなり、流体の滞留を抑制することができるから、混合効率が高まる。
また軸方向各位置のロータ側突出部６及びステータ側突出部７の相互間において、各くぼみ８２，８３は周方向に略等間隔おきに設けられている。このようにすると、円環状に配列された突出部６，７の相互間にくぼみ８２，８３を効率的に配列することができる。よって、比較的多くの突出部６，７と比較的多くのくぼみ８２，８３を設けることが出来、流体の流れをより複雑なものとすることができる。

ロータ側突出部６相互間に設けられた各ロータ側くぼみ８２は、ロータ側円周面６ａとロータ側径方向平面６ｂとが交差する仮想線である交線６ｃ上に中心を有する略１／４球状とされている。したがってロータ側くぼみ８２は、ロータ側円周面６ａを略半円状に切り欠くと同時に、ロータ側径方向平面６ｂも略半円状に切り欠く。同様に、ステータ側突出部７に設けられた各ステータ側くぼみ８３は、ステータ側円周面７ａとステータ側径方向平面７ｂとが交差する仮想線である交線７ｃ上に中心を有する略１／４球状とされている。したがってステータ側くぼみ８３は、ステータ側円周面７ａを略半周状に切り欠くと同時に、ステータ側径方向平面７ｂも略半周状に切り欠く。したがって、図１及び図４に示すように、近接するロータ側くぼみ８２とステータ側くぼみ８３とは、同一の軸方向位置及び径方向位置で重なり合い且つ軸方向及び径方向に互いに向き合って開放している状態となっている。なお図４は、図２と図３を重ねることによりロータ側くぼみ８２とステータ側くぼみ８３との相対関係を示した図である。ただし、ロータ２とステータ３とは相対回転するから、図４の相対関係は、ロータ２の回転に伴い所定の周期ごとに表れる。

以上のような構成を有する攪拌機１を使用する場合は、図５に示すように、攪拌機１のミキシングヘッドｈ部分を混合したい液体２０内に浸し、モータ１２を動作させ、ドライブシャフト１０を介してロータ２を回転させる。そうすると、回転しないステータ３に対してロータ２が回転し、ロータ２とステータ３とが相対回転することとなる。このように、本実施形態の攪拌機１は、バッチ処理用に用いられる。

ロータ２が回転すると、遠心ポンプの原理により液体２０が流入口４から吸い込まれ、ロータ２とステータ３との対向面間に形成された流路を経由した後、排出口５から排出される。図１の破線矢印に示すように、流入口４から排出口５に至る過程において、液体２０は、ロータ側くぼみ８２とステータ側くぼみ８３との間で交互に移送される。即ち、あるロータ側くぼみ８２に流入した液体２０は、遠心力の作用により、該くぼみ８２と軸方向位置が等しいステータ側くぼみ８３に移送され、更に、該くぼみ８３と径方向位置が等しいロータ側くぼみ８２に移送される。そして以後、このくぼみ間移送が適宜繰り返される。なお、図１の破線矢印は、理解しやすいように単純化した平面的な矢印としたが、実際には、ロータ２とステータ３とは相対回転しているので、ロータ側くぼみ８２とステータ側くぼみ８３との間の移送は回転運動を伴いつつ行われる。そして、個々のくぼみ８２，８３内では渦が発生するとともに、これらの渦同士が激しくぶつかり合うことになる。
なお、ポンプ機能を高めるため、ロータ２の外周面にインペラ（羽根）を追加してもよい。

また、ロータ２とステータ３との間の軸方向間隔ｄや径方向間隔ｋは比較的狭く設定されているので、液体２０に強い剪断力が作用する。なお、図２に示すように、ロータ２のロータ側円周面６ａやロータ側径方向平面６ｂには、くぼみの無い非くぼみ部２１が存在し、同様にステータ３のステータ側円周面７ａやステータ側径方向平面７ｂにも、くぼみの無い非くぼみ部２１が存在する。これら非くぼみ部２１の存在により、液体２０は軸方向間隔ｄや径方向間隔ｋの隙間により生ずる剪断力を受けることになる。

なお、軸方向間隔ｄや径方向間隔ｋは、混合したい液体２０の粘度や溶質の粒径等、諸般の事情を考慮して適宜設定される。ただし通常は、軸方向間隔ｄや径方向間隔ｋを比較的狭くするほうが液体２０に作用する剪断力が高まり好ましい。したがって軸方向間隔ｄは、２ｍｍ以下とするのが好ましく、１ｍｍ以下とするのが更に好ましい。ただし軸方向間隔ｄを狭くしすぎると液体２０の流れが円滑で無くなる場合があり、またロータ２やステータ３に過度の寸法精度が求められコストが高くなる場合があるから、軸方向間隔ｄは０．１ｍｍ以上とするのが好ましく、０．２ｍｍ以上とするのが更に好ましく、０．４ｍｍ以上とするのが更に好ましい。
径方向間隔ｋの好ましい範囲については、上記軸方向間隔ｄの好ましい範囲と同様である。そして、ロータ２とステータ３との隙間距離の最小値の好ましい範囲についても、上記軸方向間隔ｄの好ましい範囲と同じである。
なお、ロータ２とステータ３との軸方向相対位置を可変とすることにより軸方向間隔ｄを調整できる調整機構を備えた攪拌機１としてもよい。

本発明の製造方法では、燃料油に５〜５０重量％の水又は植物油を混合する。燃料油としては、ガソリン、航空用ガソリン、自動車用ガソリン、工業用ガソリン、灯油、軽油、重油（Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油）等が例示される。水としては、イオン交換水、水道水、蒸留水などを適宜用いることが出来る。植物油としては、例えば、なたね油などを用いることが出来る。後述の実験に示すように、本発明では特に、Ａ重油に５〜５０重量％の水を混合した場合に特に良好な結果が得られた。

本発明の製造方法では、水又は植物油と燃料油の他に、界面活性剤等の添加剤を用いると、分散安定性が高まり好ましい。添加剤としては、例えばＷ／Ｏ（Water in Oil）型エマルションを形成する界面活性剤を用いることが出来る。

本発明の製造方法により作製されたエマルション燃料の燃費を確認することにより、本発明の効果を確認した。
実施例の攪拌機としては、株式会社エーテックジャパンが製造販売している流体分割混合ミキサーを用いた。
そして、Ａ重油（密度０．８６ｇ／ｍｌ）を入れたタンク内で上記攪拌機を用いて撹拌しながら水道水と添加剤とを投入することによりエマルション燃料を作製した。そして、このエマルション燃料を用いてディーゼルエンジンで発電機を一定時間回して、その間に消費されたエマルション燃料の量を測定した。実験中は、発電量に一定の負荷を与えて、エンジンの出力及び発電量を常に一定となるようにした。なお、かかる測定にあたっては、まず測定前にエンジンを所定時間回しておき、エンジンの回転が安定した時点で測定を開始した。
水道水の配合比率を適宜変化させて測定したところ、水道水の割合を５〜５０重量％とした場合に、特に燃費が良好であった。

本発明の一実施形態である製造方法に用いた攪拌機のミキシングヘッド部分の断面図である。 図１の攪拌機のロータ部分のくぼみの配列を示す平面図である。 図１の攪拌機のステータ部分のくぼみの配列を示す平面図である。 図２と図３を重ね合わせることにより、ロータ部分のくぼみとステータ部分のくぼみとの相対的位置関係を示した図である。 図１の攪拌機を用いて液体を攪拌している様子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 攪拌機
２ ロータ（第一部材）
３ ステータ（第二部材）
４ 流入口
５ 排出口
６，６１〜６４ ロータ側突出部（突出部）
６ａ ロータ側円周面（軸方向に平行な円周面）
６ｂ ロータ側径方向平面（径方向に平行な径方向平面）
７，７１〜７５ ステータ側突出部（突出部）
７ａ ステータ側円周面（軸方向に平行な円周面）
７ｂ ステータ側径方向平面（径方向に平行な径方向平面）
ｄ 軸方向間隔
８２ ロータ側くぼみ（くぼみ）
８３ ステータ側くぼみ（くぼみ）

Claims (4)

1. ５〜５０重量％の水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法であって、
   前記攪拌機は、
   混合される流体の流入口及び混合後の流体の排出口と、
   所定の回転軸まわりに相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材及び第二部材と、
   前記第一部材及び第二部材の対向面間において形成され、前記流入口から前記排出口にまで連通する流路と、
   前記回転軸と同軸で前記第一部材及び第二部材に設けられ、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部と、
   前記突出部相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみと、
   を備えると共に、
   近接する前記第一部材のくぼみと前記第二部材のくぼみとは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している攪拌機であることを特徴とするエマルション燃料の製造方法。
2. 前記くぼみは、前記第一及び第二部材上において、周方向の所定間隔おきに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエマルション燃料の製造方法。
3. 前記くぼみは球状であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のエマルション燃料の製造方法。
4. 前記突出部の外面は、軸方向に平行な円周面と、径方向に平行な径方向平面から成り、
   前記第一部材の前記対向面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成され、
   前記第二部材の前記対向面は、前記第一部材の前記対向面に対応して、全体的に円錐凹形状を有し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成されており、
   前記くぼみは、前記突出部の前記円周面と前記径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略１／４球状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエマルション燃料の製造方法。

Images