JP6023697B2 - 実時間インライン水−燃料エマルションの装置、プロセスおよびシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照により本明細書にその開示が組み込まれている、２０１０年４月１６日に出願した係属中の米国特許出願第１２／７６１，６８５号の優先権を主張するものである。

[0002]本発明は、一般にエマルションに関する。より詳細には、本発明は、燃料および関連する組成物に関する。最も詳細には、本発明は、燃料エマルションを生成するための方法、装置およびシステムに関する。

[0003]エマルションは、１つの液体が別の液体の中に懸濁されるときに発生する。最近の燃料の発展は、水が燃料の中に懸濁される、燃料エマルションをもたらした。多くの水−燃料（water-in-fuel）エマルションは、基本的に、炭素系燃料、水および種々の添加物から成る。エンジン、燃料システム、または既存の燃料配送基幹施設に大幅な変更を生み出すことなく、より大きい効率および排出低減を達成するために、これらの燃料エマルションは、内燃機関、ボイラ、炉、他に対してコスト効率の良い方法を見出すために重要な役割を果たすことができる。

[0004]本発明は、反応器装置、前記反応器装置に接続される燃料吸入口（fuel intake）、前記反応器装置に接続される吸水口（water intake）、前記反応器装置に接続されるポンプ、および前記ポンプに接続されて実時間に必要に応じて負荷を供給する循環エマルション再処理インラインループ（circulating emulsion reprocessing inline loop）を備え、前記反応器装置が、前記吸水口および前記燃料吸入口からの水−燃料を乳化するのに十分なキャビテーションを発生するように形作られた無振動アンビル（non-vibrating anvil）を備える、実時間インライン水−燃料エマルションシステムに関する。

[0005]本発明の種々の利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を、添付の図面に照らして読めば、当業者には明らかとなろう。

[0006]燃料−水エマルションシステムの図である。 [0007]燃料−水エマルションシステムの図である。 [0008]燃料−水エマルションシステムの図である。 [0009]ばねを包み込んだアンビルを示す反応器の断面図である。 [0010]図５Ａは、内蔵型燃料−水エマルションシステムを収納するケーシングの側面図である。[0011]図５Ｂは、燃料、水、および燃料−水エマルションのための入口ポートおよび出口ポートを示す、図５Ａに示されるシステムの背面図である。[0012]図５Ｃは、ポンプ駆動を示す、図５Ａおよび図５Ｂのシステムの正面図である。 [0013]入口ポートおよび出口ポート、調節可能なアンビル、ならびに圧電駆動を有するエマルション装置の断面図である。 [0014]図６Ａの線Ｂ−Ｂに沿って取られたエマルション装置の断面図である。 [0015]エンジンのシリンダヘッドの中に装着される噴射器の断面図である。 [0016]図７Ａに示される詳細Ｂの拡大図である。 [0017]三方弁および洗浄システム（flush system）を示す燃料−水エマルションシステムの図である。 [0018]Ｏリングまたはばねを持たない、図４に示される反応器に類似する反応器の断面図である。 [0019]小さな燃焼装置のための燃料−水エマルションシステムの図である。

[0020]次に図面を参照すると、燃焼点において油中水の均質なエマルションを生み出すための、システム１００のブロック図が、図１に例示され、いくつかの図面を通して、同じ数字が同じ部品を表す。システム１００は、実時間インライン燃料−水エマルションシステムの形態であってよい。システムが他の形態であるとしても、そのシステムはハイドロソニック（Hydrosonic）システムの形態であってよく、液体の流れがキャビテーションおよび音を生成する。システム１００は、燃料源１１０と、水源１２０と、燃料と水との混合合流点（mixing junction）１２６と、燃焼点１９０付近にあってよい反応器すなわちエマルション装置１５０とから構成されてよい。加えて、システム１００は、高圧側１７１、弁すなわちソレノイド弁（図示されず）、および低圧側１７３を含んでよい乳化燃料循環ループ（emulsified fuel circulating loop）１７０を備えてよい。

[0021]システム１００は、油１６１および水１６３を含むエマルション１６０を生み出すことができる。特に、乳化燃料１６０は、燃料油１６２の中の水滴１６３から形成されてよい。乳化燃料１６０の粘度は、水滴１６３の中心に原子、分子、または粒子を導入することによって変化されてよく、それにより、３層の乳化燃料を形成し、原子、分子、または粒子が水１６３で取り囲まれ、次いで燃料油１６２で取り囲まれて、３層の乳化燃料を形成する。例えば、炭素原子の導入は、３層の炭化水素乳化燃料を形成することができる。

[0022]図２では、燃料源に接続される燃料管路２１０、燃料フィルタ２１２、燃料戻り２１４、燃料計量弁（metering valve）２１５、燃料誘導器（fuel diverter）２１６、燃料入口弁２１８、水源に接続される水管路２２０、遮断弁２２２、計量弁２２５を備えるシステム２００の概略図が例示される。燃料管路２１０および水管路２２０が混合合流点２２６（例えば、Ｔ字形合流点（Tee junction））に接続されてよく、混合合流点２２６はポンプ２３０および反応器すなわちエマルション装置２５０に接続されてよく、エマルション装置２５０は燃料管路２１０と連結または接続されてよい。加えて、システム２００は、高圧側２７１、低圧側２７３、１つまたは複数の静的ミキサー（static mixer）２７２（任意選択であってよい）、圧力バイパス弁２７９、および燃焼弁２７４へのエマルション配送を有するエマルション循環ループ２７０を備えてよい。システム２００は、負荷（例えば、エンジン、ボイラ、タービン、炉、または他の装置）に接続されるエマルション戻り管路２７５、燃料戻りエマルション隔離弁（isolation valve）２７６、負荷に接続されるエマルション供給管路すなわち燃焼管路２７７、およびエマルション循環ループ２７０の低圧側２７３に接続されるエマルション戻り弁２７８をさらに備えてよい。

[0023]燃料誘導器２１６が閉じられて弁２１８が開かれると、燃料が、計量装置（metering device）２１５を通って流れ、計量装置２１５は電気的に制御されても、または単に負荷の需要に従って流すことだけを許容されてもよい。水が、水管路２２０を介し、遮断弁２２２を通って計量装置２２５に誘導されてよい。このことは、比例的に行われてよい。このように比例配分された燃料および水が、混合合流点２２６で合流しポンプ２３０に配送されてよい。ポンプ２３０は、燃料と水との混合物を加圧しエマルション装置２５０に配送してよく、エマルション装置２５０において、燃料と水との混合物はエマルションとして構成されてよい。エマルション装置２５０から、エマルションは、エマルション循環ループ２７０の高圧側２７１においてエマルション循環ループ２７０に入って、静的ミキサー２７２および圧力バイパス弁２７９を通り、圧力バイパス弁２７９は、エマルションを通して、燃料管路２１０を介する燃焼管路２７７に対して所望の配送圧力を維持することができる。

[0024]乳化燃料の大部分は、エマルション循環ループ２７０内のエマルションの安定を維持するために、圧力バイパス弁２７９によって、ポンプ２３０に通じるエマルション循環ループ２７０の低圧側２７３に戻されてよく、そこでエマルションは、負荷の消費率を超え得る割合で、一定の循環状態にあってよい。エマルション循環ループ２７０が十分に長いならば、静的ミキサー２７２はあることが望ましい場合がある。

[0025]消費されたエマルションは、常に、比例配分された燃料と水との混合物によって補給されてよい。燃料戻り管路２１４は、燃料戻りエマルション隔離弁２７６によって主燃料源から隔離されてよく、隔離弁２７６は、閉じられると、戻りのエマルションをエマルション循環ループ２７０の低圧側２７３に戻して、他の未消費のエマルションと共に保持されるように誘導することができる。

[0026]エマルション供給と既存の従来の燃料供給との間の迅速な切替えを促進するために、システム２００は、既存の従来の燃料（例えば、非乳化燃料）配送システムと並列に装着されてよい。二重並列システムに対する理由は、長時間にわたる停止中にエマルションが分離するときに、水による汚染を避けるために噴射器ポンプ、燃料配送ポンプ、および燃料管路を洗浄するため、ならびに、一定の冗長（redundancy）を組み込むことによって保守の間にサービスが中断することを避けるためである。既存の従来の燃料配送システムは完全なままであり、燃料−水エマルションシステムが並列に存在して既存の従来の燃料の供給管路および戻り管路を単に遮断するだけなので、燃料−水エマルション供給と既存の従来の燃料供給との間の切替えは、以下のように容易に達成され得る。エマルションモードの動作中、燃料入口弁２１８、計量弁２２２、およびエマルション戻り弁２７８は開いている。燃料誘導弁２１６および燃料戻りエマルション隔離弁２７６は閉じている。従来の燃料モードの間、燃料入口弁２１８、計量弁２２２、およびエマルション戻り弁２７８が閉じており、燃料誘導弁２１６および燃料戻りエマルション隔離弁２７６が開いている。従来の燃料からエマルション燃料への切替えは、手動弁を使用することによるのではなく、弁２１６、２１８、２２２、２７６および２７８を制御するために、ソレノイドまたは他の同等の自動化を使用することによって自動化されてよい。

[0027]システム２００の動作は、以下のように説明される。誘導弁２１６が閉じられて燃料入口弁２１８が開かれるので、燃料は燃料計量装置２１５を通って流れ、燃料計量装置２１５は電気的に制御されても、または単に負荷の需要に従って流すことだけを許容されてもよい。水（例えば、水道水）が、水管路２２０を通り、遮断弁２２２を通って、比例的に計量弁２２５に導入される。燃料および水は、このように比例配分され、燃料と水との混合合流点２２６で合流し、ポンプ２３０に配送されて加圧され、反応器すなわちエマルション装置２５０に配送され、そこで燃料と水とがエマルションを構成する。エマルション装置２５０から、エマルションは、高圧側２７１においてエマルション循環ループ２７０に入り、任意選択の静的ミキサー２７２および圧力バイパス弁２７９を通り、圧力バイパス弁２７９は、エマルションを通して、燃料管路２１０を介する燃焼管路２７７に対して所望の配送圧力を維持することができる。乳化燃料の大部分は、エマルション循環ループ２７０内のエマルションの安定を維持するために、圧力バイパス弁２７９によって、ポンプ２３０に通じるエマルション循環ループ２７０の低圧側２７３に戻され、そこでエマルションは、負荷の消費率を超える割合で、一定の循環状態にある。エマルション循環ループ２７０が十分に長いならば、静的ミキサー２７２はあることが望ましい場合がある。

[0028]消費されたエマルションは、常に、比例配分された燃料および水の供給によって補給される。燃料戻り管路２１４は、隔離弁２７６によって燃料源から隔離され、隔離弁２７６は、閉じられると、戻りのエマルションをエマルション循環ループ２７０の低圧側２７２に戻して、未消費のエマルションの残りと共に保持されるように誘導する。

[0029]図３では、燃料管路３１０、燃料フィルタ３１２、燃料戻り３１４、燃料計量弁３１５、燃料誘導器３１６、燃料入口弁３１８、遮断弁３２２および計量弁３２５を有する水管路３２０、燃料水混合合流点３２６、ポンプ３３０、ハイドロソニックエマルション装置３５０などの反応器、既存の燃料源３６０、高圧側３７１と低圧側３７３と１つまたは複数の静的ミキサー３７２とを有するエマルション循環ループ３７０、燃焼弁３７４へのエマルション配送部（delivery）、負荷に接続されるエマルション戻り管路３７５、燃料戻りエマルション隔離弁３７６、負荷に接続されるエマルション燃焼管路３７７、エマルション循環ループ３７０の低圧側３７３に接続されるエマルション戻り弁３７８を備える本発明のシステム３００の概略図が例示される。図３はまた、フロートスイッチ３６８を生産タンク（production tank）３６９内に組み込んでよいオープンループ３７０を例示する。フロートスイッチ３６８は、エマルション生産タンク３６９およびエマルション循環ループ３７０を、ほぼ一定でかつ比例配分された流れの割合で補給するために、燃料入口弁３１８および遮断弁３２２を同時に（例えば、ソレノイドまたは他の適切な装置で）作動させてよい。

[0030]図４では、上で説明されたシステム２００、３００で使用するのに適切な、例示的反応器すなわちエマルション装置４００の断面が例示される。エマルション装置４００は、筐体またはケーシング４５０、入口４６０、オリフィス４６２、入口エンドキャップ４６３Ａ、出口エンドキャップ４６３Ｂ、アンビル４６４、全ねじ付きまたは半ねじ付き軸４６５、アンビル４６４内に包み込まれたばね４６６、外部調節部４６７、Ｏリングシール４６８、および出口４６９を含んでよい。入口４６０に入る燃料および水はオリフィス４６２を通って進み、アンビル４６４に衝突し、水を燃料中に乳化させるのに十分なほぼ一定のキャビテーションを、アンビル４６４の後続表面（trailing surface）に沿って発生させることができる。エマルションは出口４６９を通って出て、エマルションループを経由して負荷に直接至ることができる。

[0031]アンビル４６４は、ねじ付き軸４６５に取り付けられてよく、ねじ付き軸４６５はＯリング４６８を保持してよく、または保持しなくてよい。ねじ付き軸４６５は、ケーシング４５０のエンドキャップの中でねじ付き軸４８０とねじ方式で係合可能な止めナット（stop-nut）４７４によって、ばね４６６の圧縮を調節することを可能にする。軸４８０は、シール４７９を設けられる。圧力、振幅、および周波数が、最適なキャビテーションを得るために、外部調節部４６７によって外部から調節され得る。

[0032]アンビル４６４はばね４６６に接して振動せず、むしろ、アンビル４６４の形状と相まった面にわたって低下する液体の速度および圧力が、ほぼ一定のキャビテーションを発生させ、そのキャビテーションが、アンビル４６４の後続表面を転がり落ちることができる。ばね４６６は、アンビル４６４と入口オリフィス４６２との間に一定の圧力を維持し、閉塞が発生する場合に圧力リリーフとして作用することができる。

[0033]反応器すなわちエマルション装置４００を組み立てるための例示的プロセスは、作動面（working surface）付近に開口を有するほぼ円筒形のアンビルを設けるかまたは機械加工するステップ、作動面付近のアンビル内の開口の内部にＯリングシールを付加するステップ、少なくとも部分的にねじを切られた軸を設けるかまたは機械加工するステップ、ねじを切られた軸上にばね止めまたは調節可能なナットを装着するステップ、ばねをねじを切られた軸上に滑り込ませるステップ、ねじを切られた軸およびばねの上でアンビルを滑動させるステップ、ばねをアンビルで包み込むステップ、アンビルおよび軸をＯリングでシールするステップ、アンビルをチャンバ内に包み込むステップ、チャンバからのエマルションの出口ポートを設けるステップ、ねじを切られた軸のねじ側の端部をチャンバの出口側に装着するステップ、ねじを切られた穴を有する低圧側の出口エンドキャップを設けるかまたは機械加工するステップ、エンドキャップをチャンバの低圧側の軸上に装着するステップ、アンビルの作動面を整合させるように機械加工された入口オリフィスを有する高圧側の入口エンドキャップを設けるかまたは機械加工するステップ、高圧側の入口エンドキャップをチャンバの他端すなわち高圧側に装着するステップ、入口オリフィスをポンプ吐出部に接続するステップ、ならびに出力ポートをエマルション循環ループに接続するステップから成る群から選択される１つまたは複数のステップを含んでよい。

[0034]図５Ａ〜図５Ｃでは、より小さいエマルション用途に特に適切であり得る、コンパクトな内蔵式のエマルションシステム５００が例示される。システム５００は、燃料入口５１０、燃料戻り５１４、水入口５２０、筐体またはケーシング５５０、エマルション出口５７１、エマルション戻り５７２、および負荷に接続されてよいポンプ滑車（pulley）または他の適切なポンプ駆動部５９０から構成されてよい。ポンプは、電気式、液圧式、または磁気式であってよい。コンパクトで内蔵式であることに加えて、エマルションシステム５００は、それが装着される負荷によって駆動されてよい。システム５００は、筐体５５０の中に、ポンプ２３０、３３０および反応器すなわちエマルション装置２５０、３５０を組み合わせることができる。エマルション出口５７１およびエマルション戻り５７２は、それぞれ、エマルション循環ループの高圧側および低圧側を形成することができる。

[0035]図６Ａ〜図６Ｂでは、上で説明されたシステム２００、３００において使用するのに適切な反応器すなわちエマルション装置６００の断面が例示される。装置６００は、調節可能なアンビル面または作動面６６４を有する乳化チャンバを備える、圧電駆動ユニットの形態であってよい。装置６００は、燃料入口６１０、調節可能な燃料制御弁６１５、水入口６２０、調節可能な水制御弁６２５、本体またはケーシング６５０、エマルション出口６６１、調節可能なアンビル面または作動面６６４、外部アンビル調節部６６７、調節ロックおよびシール６６８（例えば、ロッキングおよびシーリングナット）、エマルション戻り６７５、混合チャンバまたは乳化チャンバ６８０、Ｏリングシール６８２、ならびに超音波圧電プローブ６８５（例えば、音響型（acoustic type）プローブ）から構成されてよい。この構成は、既存の従来の燃料配送システムポンプで駆動され得るので、それ自体の圧力ポンプを必要としなくてよい。

[0036]図６Ａでは、図６Ｂにおける線Ａ−Ａに沿って取られたエマルション装置６００の側面断面が例示され、燃料戻り６７５、エマルション出口６６１、調節可能なアンビル面または作動面６６４、ならびに共に乳化チャンバ６８０の調節を可能にするアンビル調節部６６７および調節のロックおよびシール６６８を示す。圧電駆動プローブ６８５は、調節可能なアンビル６６４に対して働き、均質なエマルションを形成するのに十分なキャビテーションを燃料と水との中に生成することができる。プローブ６８５は、その節点（nodal point）においてＯリングシール６８２によってケーシング６５０内にシールされてよい。

[0037]図６Ｂでは、図６Ａにおける線Ｂ−Ｂに沿って取られた上面断面が例示され、調節可能な燃料制御弁６１５で制御される燃料入口６１０および調節可能な燃料制御弁６２５で制御される水入口６２０、負荷に接続されるエマルション出口６６１、エマルション戻りポート６７５、ならびにアンビル作動面６６４を示す。

[0038]上のシステムの任意のものによる燃料−水を乳化するためのプロセスは、燃料管路を入口に誘導し、計量し、制御するステップ、水を入口に配送し、計量し、制御するステップとで燃料と水とが比例配分された混合物をもたらすステップ、比例配分された混合物をポンプによってエマルション装置の中に送り込むステップ、混合物をアンビルにわたって衝突させてキャビテーションを発生させ、結果として水−燃料の乳化をもたらすステップから成る群から選択される１つまたは複数のステップを含んでよい。方法は、水−燃料エマルションをポンプおよびエマルション装置と直列のエマルション循環ループの中で循環させるステップ、水−燃料エマルションを負荷（例えば、エンジン、ボイラ、タービン、炉、または他の装置）に配送するステップ、燃料供給の戻りをエマルション循環ループから隔離するステップ、任意の未使用のエマルションをポンプによってエマルション装置と直列のエマルション循環ループの中に再循環および再処理させるステップをさらに含んでよい。

[0039]図７Ａ〜図７Ｂでは、コンパクトな内蔵型圧電駆動の燃料−水エマルション噴射器システム７００が例示され、システム７００は、乳化燃料を霧化して、エンジン燃焼チャンバ７９０などの負荷に直接配送することができる。システム７００は、燃料入口７１０、水入口７２０、圧電計量弁７１５、逆止弁７１６、圧電駆動超音波噴射器チップ７２８、ケーシング、筐体または本体７５０内に形成されるか、機械加工されるかまたは一体化されるカップ７３０、Ｏリングシール７８２、ならびに超音波または圧電クリスタルのスタックプローブ７８５で構成されてよい。燃焼チャンバ７９０は、シリンダヘッド７９２、シリンダ壁７９４、ピストン７９６、およびコネクティングロッド７９８で構成されてよい。システム７００は、粘度および体積が変化する低圧の燃料を、圧電駆動の超音波噴射器チップ７２８を介して燃焼チャンバ７９０に直接噴射し、霧化するための構成を含んでよい。

[0040]図７Ａでは、燃焼チャンバに関連して装着された噴射器システム７００の側面図が例示される。噴射器システム７００の圧電プローブ７８５が、チップ７２８を振動させる。毎秒約２０，０００サイクルの振動が、燃料入口７１０および水入口７２０を通り、逆止弁７１６を通ってカップ７３０に配送された燃料−水混合物を乳化することができ、カップ７３０において、燃料および水が同時に乳化され、霧化されて、直接燃焼チャンバの中に送られる。カップ７３０は、本体７５０の中に形成されてよく、プローブ７８５は、プローブ７８５の節点においてＯリング７８２で本体７５０内にシールされてよい。カップ７３０は、従来の噴射器に代わって、燃焼チャンバ７９０およびシリンダヘッド７９２の中に直接突き出るように形成されてよい。より完全に燃焼するので、炭素の蓄積はより少なく、ピストン７９６およびシリンダ壁７９４が受ける摩損はより少ない。コネクティングロッド７９８が、簡明にするために例示される。

[0041]図７Ｂでは、図７Ａに示される詳細Ｂの拡大図が例示され、噴射器本体７５０内に形成されるカップ７３０を示すが、カップ７３０は、噴射器または霧化チップ７２８の中に形成されてもよい。

[0042]ディーゼルエンジンの実施では、燃料を非常に高い圧力のもとで霧化させるために、高噴射圧力が、非常に精密なポンプを必要とする場合がある。噴射器システム７００は、低噴射圧力、および広範囲の使用燃料を許容する霧化方法を使用することができる。例えば、蒸留物、残渣、エマルションおよびスラリーが、すべて、等しい容易さで使用され得る。

[0043]図８では、なんらかの未燃焼のエマルションが燃料源８０２に戻ることを避けるために三方弁および第２のバイパス８０３を使用する、システム２００に類似のエマルション燃料システム８００が例示される。三方弁は、システム２００の二方弁２７０、２７８を置き換える。システム８００の動作は、遮断を除いて、システム２００に類似する。遮断時は、弁８１７、８７９は燃料位置に戻される。誘導弁８０４は、燃料中の戻りのエマルションを戻り管路８１４に誘導し、また、すべてのエマルションが燃焼装置８０３で消費されるのに十分な時間の間、燃料入口管路８１０に接続されてよい管路８０５を介して燃焼装置８０３に戻し、その時点において、誘導弁８０４は燃料位置に戻る。このシステムは、以下の論理によって単一の電子回路で自動的に制御されてよい。負荷（例えば、燃焼装置８０３）が始動する。エマルションユニット８０１が始動する。三方弁８１７、８７９、８０４は、燃料位置にある。負荷が動作する反応器圧力が達成される。弁８１７、８７９、８０４がエマルション位置に切り替えられ、管路８１０の中の燃料をエマルションユニット８０１を通して誘導し、燃料源８０２を戻り管路８１４から隔離する。この段階で、負荷８０３はエマルションで動作している。遮断するために、エマルションユニット８０１が遮断する。三方弁８１７、８７９が、燃料位置に戻る。誘導弁８０４は、すべてのエマルションが消費されて燃料源８０２から直接燃料入口管路８１０に入る純粋な燃料で置き換えられるまで、戻り管路８１４をバイパス８０５を介して負荷に戻すように誘導し続ける。すべてのエマルションが消費されると、誘導弁８０４は、燃料位置に戻って、燃焼装置８０３が遮断する。

[0044]図９は、ばねを持たず、閉じたアンビル９６４を含んで、システム２００、３００、８００、および他の処理用途において使用されるＯリングシールの必要性をなくした、反応器４００に類似の反応器すなわちエマルション装置９００の断面が例示される。反応器９００は、管状の筐体またはケーシング９５０、入口９６０、オリフィス９６２、入口エンドキャップ９６３Ａ、出口エンドキャップ９６３Ｂ、オリフィス９６２を生成する円錐形端部を有する固定アンビル９６４、およびリップ（lip）９６７を含んでよい。アンビル９６４は、ねじ付きロッド９６５で支持されてよい。オリフィス９６２は、外部調節部９６７によって調節されてよい。シール９７８は、ねじ付きロッド９６５とエンドキャップ９６３Ｂとの間の漏れを防止することができる。１つまたは複数の混合するかまたは混合しない液体または固体が、オリフィス９６２を通過することができる。オリフィス９６２は、円錐形のアンビル９６４の角度に対応する角度を有する円錐形であってよい。液体または固体は、アンビル９６４に沿ってかつリップ９６７の周囲で加速する。このことが圧力低下を引き起こし、これにより、アンビル９６４の後続表面に沿って、液体の中に乳化または固体の分解を生成するのに十分なキャビテーションを生成することができる。アンビル９６４とケーシング９５０との間の空間の面積は、少なくとも出口９７９の直径の面積と同じ大きさであってよい。処理されると、材料は出口９７９を通って反応器を出る。

[0045]図１０は、より小さい燃焼装置で使用されてよいエマルション燃料変換１０００を例示する。加熱用燃料またはバイオディーゼルなどの標準的な燃料が、逆止弁１００４を取り付けられた既存の燃料入口管路１００２を通って流れることができる。燃料は、混合用Ｔ字型部（mixing tee）１００６で水と混合されてよい。水は、通常は閉じられていてよいソレノイド弁１０１０と逆止弁もしくは逆流防止器１０１４とで制御される管路１００８によって導入されてよい。水流は、固定式オリフィスまたはＤｏｌｅ式流量制御弁１０１６で制御されてよい。制御弁１０１６の寸法は、燃焼装置の容量によって決定されてよい。例えば、オイルバーナーが、毎時３．７８５リットル（１ガロン）のノズルを有し、１５％のエマルションが必要であれば、制御弁１０１６は毎時０．５６７８リットル（０．１５ガロン）の寸法であってよい。このように計量された水が、混合用Ｔ字形部１００６において燃料流に導入されてよい。比例配分された燃料−水混合物が、既存の圧力ポンプ１０１８に流入してよい。圧力ポンプ１０１８の流量が燃焼装置の燃焼量より大きいならば、混合物は、何度も再循環されてよい。せん断効果が、混合物を乳化する。乳化され加圧されて、エマルション燃料は、バーナーのノズルまたは噴射器１０２０に流れる。ノズル１０２０にわたるせん断効果および圧力低下が、粒子寸法をさらに小さくして、エマルション全体に水粒子を均一に分散させるように働くことができ、エマルションは、即座に燃焼され得る。システム１０００は、既存の燃焼装置をオンオフ制御するように接続されてよい制御器１０１２を使用することができる。この制御器１０１２は、自動的に、燃焼装置が始動した後にソレノイド弁１０１０を開き、燃焼装置が停止する少し前にソレノイド弁１０１０を閉じることができる。

[0046]ストロークの上端において、燃料の圧力と燃焼チャンバ内の圧力とは均衡するかまたはほぼ均衡するので、超音波プローブ７８５の中にブースタおよび速度変換器がディーゼルエンジンの圧縮圧力に耐えるように設計されている超音波プローブ７８５は、燃料がプローブ７８５の先端を通過するときに燃料を超音波で霧化する。この装置によって提供される微細な霧化と精密な制御とが、効率を改良し、排出を低減する。

[0047]水−燃料を乳化するプロセスは、複数の入口ポートおよび出口ポートを有するエマルションチャンバを組み立てるステップ、燃料を既存の燃料供給管路からエマルションチャンバの入口ポートに誘導するステップ、燃料の体積に対して５％〜３０％の体積の水を入口ポートに導入するステップ、エマルションチャンバ内の混合物をキャビテーションさせて乳化をもたらすステップ、エマルションチャンバ回りのエマルション循環ループ内でエマルションを循環させるステップ、エマルションのより小部分を需要に応じて負荷に配送するステップ、負荷の最大需要より大きい割合でエマルション循環ループ内の余剰エマルションを再循環させるステップ、エマルションチャンバからエマルション循環ループ内にエマルションを補給するステップ、ならびに入口ポートにおいて燃料および水の供給を補給するステップから成る群から選択される１つまたは複数のステップを含んでよい。

[0048]燃料を生み出すプロセスは、水および油（例えば、炭化水素燃料、バイオ燃料、または他の燃料）を反応器すなわちエマルション装置の形態の装置に配送するステップを含んでよく、エマルション装置は、化学的界面活性剤または乳化剤を使用することなくエマルションを生成するために、十分なほぼ一定のキャビテーションを発生させることができる。乳化燃料は、直接バーナーに配送されてよく、または噴射器ポンプに配送されてよく、噴射器ポンプは需要に応じて汲み出すことができ、余剰の乳化燃料は、負荷または用途の最大要求より大きい割合で一定の循環ループ内で装置を通って戻り、再循環する。キャビテーションを発生させるための装置は、反応器すなわちエマルション装置で構成されてよく、エマルション装置の中で燃料および水がオリフィスに入って特別な形状の、ばねを装荷されたアンビルに衝突し、アンビルは、キャビテーション気泡の流れを途絶えさせないようにばねを包含する。

[0049]乳化燃料は、負荷（例えば、エンジン、ボイラ、タービン、炉、または他の装置）に供給することができる貯留タンクに送られてよい。供給が需要を超える場合は、乳化燃料は、低減された圧力および流れで装置を通して再循環されてよい。エマルションのチキソトロピー性（thixotropic nature）および装置のキャビテーション効果によって、このプロセスはまた、燃料をより流動的にするために、燃料の粘度を低減するために使用されてよい。

[0050]装置は、キャビテーションを発生させるために燃料−水を攪拌する構造を含んでよく、構造は、平らな開口を形成するように収束する２つの調節可能な角度の付いた平たい刃を備えるチャンバを含んでよい。加圧された燃料−水は、刃の形状によって、平らな開口を通る燃料−水の流れによって、および第３の調節可能な平らな刃への燃料−水の衝突によって、これらの刃に沿ってキャビテーションが発生し、３つの刃のすべてに振動を発生させ、混合物内にキャビテーションを発生させて、低減された粘度を有する微細に分散された安定なエマルションを形成することができる。

[0051]上で説明されたシステム、装置および方法は、水が燃焼チャンバ内で過熱蒸気に変化するときに発生する可能性がある二次的な霧化または微小破裂（micro explosion）に劇的な影響をほとんど与えない、極めて微小な水滴寸法を生み出すことができる。油または他の燃料の膜の内側の１０ミクロンを超える（ten plus microns）水滴が、微小破裂または微小散乱を発生して燃料を再び霧化するのにより効果的である。このことが、より完全な燃焼のためにより大きい燃料表面積を提供し、より少ない未燃焼をもたらして、低減された排出および燃料消費に転化する。

[0052]これらの簡単な搭載装置または施設内装置は、所望の水と燃料との割合、水の分散、または負荷（例えば、エンジン、ボイラ、タービン、炉、もしくは他の装置）に対する水滴寸法におけるほぼ一様なエマルションの定常的な供給を確保することができ、そのことは、循環ループ内で維持されるエマルション以外では不安定である。

[0053]アンビルを含む種々の構成要素の形状および寸法と同様に、装置またはシステムの形状および寸法が改変されてよいことを理解されたい。加えて、アンビルにわたる圧力が、変更されてよい。さらに、装置は、ハイドロソニック装置もしくは超音波装置、コロイドミル（colloid mill）、キャビテーション弁（cavitating valve）、液体ホイッスル（liquid whistle）、またはキャビテーションを生み出すことができるかもしくは燃料−水混合物における特性を適切に変化させることができる他の適切な装置の形態であってよい。

[0054]本装置、本システムおよび本プロセスは、安全で、安定で、簡素で、優雅で、洗練されており、かつ見て美しくあることができる。それらは、製造、装着、使用または運転、およびサービスまたは保守することが容易であり得る。それらは、効率的で、値段が手頃で、かつコスト効率が高くあり得る。それらは、長持ちして丈夫であり、しっかりした信頼性を提供することができる。それらは、故障間隔が低い平均率であることができる。それらは、移動用途に対して保管し、移送することが容易であり得る。それらは、高価な排気側の排出管理に対する代替を提供することができる。

[0055]本装置、本システムおよび本プロセスは、エンジン、ボイラ、タービン、炉、および他の装置を含むすべての種類の負荷に対してエネルギーを供給するための用途において普遍的であり、すべての種類の負荷の中に組み込まれてよい。それらは、寸法を容易に拡大または縮小され得る。エマルションは、複数の負荷に対して動作され、配送されることができる。

[0056]本装置、本システムおよび本プロセスは使い勝手がよく、初心者ならびに精通した専門家のユーザに対して適切である。それらは、直感的でユーザに分かりやすく、付加的な訓練を必要としない。

[0057]本装置、本システムおよび本プロセスは、主として標準的で市販のモジュール式部品および他の構成要素を使用することができる。それらは、ＯＥＭの装置、システムもしくはプロセスとして、またはアフターサービス市場もしくは後付けの装置、システムもしくはプロセスとして負荷の環境の中に、直列に（in-line）一体化されてよい。それらは、既存の部品、制御、モジュールおよび操作手順を使用することができ、運転者のさらなる訓練を不要にする。それらは、一体化された控えめでコンパクトなモジュール式の装置、システムおよび方法として容器に入れられてよい。それらは、モジュール式構成要素で作製されてよい。それらは、容易に製造および保守され得る。それらは、使い勝手がよく、主として標準的な市販のモジュール式部品および他の構成要素を使用することができる。

[0058]本装置、本システムおよび本プロセスは、運転者に分かりやすいように、従来の燃料配送システムと乳化燃料システムとの間で交互に自動的に切り替えることを容易に促進することができる。加えて、それらは、システム故障の場合の自動切替えを促進することができる。それらは、停止時間がほとんどなしに、さらには冗長な従来の燃料配送システムの場合には停止時間なしに、既存の負荷をほとんど修正することなく、容易で中断のない装着を提供することができる。

[0059]起動、停止およびエマルションの洗浄サイクルは自動化されてよく、また、管理システムもしくは負荷のコンピュータによって、または簡単なタイマーもしくは他の適切な装置によって制御されてよい。水と燃料との割合は、管理システムもしくは負荷（例えば、エンジン、ボイラ、タービン、炉、および他の装置）のコンピュータによって、または実時間排出監視装置によって制御されてよい。

[0060]エマルションシステムのポンプは、既存のまたは従来の燃料配送システムのポンプに取って代わってよく、従来のポンプは、冗長または予備のポンプとして機能してよい。あるいは、キャビテーションを生成する圧力が、既存の燃料配送システムポンプまたは噴射器のポンプによって達成されてよい。ある用途では、燃料と水とは、燃料配送システムのポンプによって、またはひとたびエマルション循環ループによって配送されたときは霧化装置によって乳化されてよい。

[0061]本装置、本システムおよび本プロセスは、一様な乳化を提供することができる。それらは、需要に応じて実時間に乳化燃料を供給することができる。それらは、負荷の需要より大きい割合か、またははるかに（例えば、１桁）大きい割合で、乳化燃料をループ内に循環させることができる。

[0062]炭化水素燃料（例えば、化石燃料）、バイオ燃料および他の燃料を含むすべての種類の燃料が、本装置、本システムおよび本プロセスによって乳化されてよい。装置、システムおよびプロセスは、特別な用途に対して、経済性と環境との間のバランスとして水の割合を調節する能力を有することができる。燃料の種類または粘度は、水滴の中心に原子、分子または他の等価な粒子を導入することによって変えられてよい。粉末石灰などの他の材料が、硫黄に対するビヒクル（vehicle）として働くように水相（aqueous phase）に付加されてよく、次いで、材料は排出側で捕獲されてよい。それらは、例えば、炭化水素、瀝青（Bitumen）の場合に、燃料の粘度を低下させ得る。

[0063]本装置、本システムおよび本プロセスは、可能性のある節約と比較するとき、付加的なエネルギーをほとんど使用しない。それらは、排出を低減し、負荷の燃料消費を低減し、それ以外に環境に無害である。それらは、保守を低減し、それゆえ負荷のライフサイクルコストを低減することができる。

[0064]本装置、本システムおよび本プロセスは、安全、環境およびエネルギー消費に関して、すべての連邦、州、地方および他の私的な規準、指針、規制および勧告に適合することができる。それらは信頼性があり、故障のリスクは最小化され、ほとんどまたは全く保守を必要とせず、故障間隔が低い平均率であることができる。それらは、耐久性のある材料から作製されて長持ちする。それらは、正常な環境ならびに予期しない状況において、物理的に安全であり得る。

[0065]本装置、本システムまたは本プロセスに関連する電子機器および制御の特徴および機能は、修正されてよい。これらの装置、システムおよびプロセスは、広範な状況および環境において複数の使途を有してよい。それらは、他の使途に対して容易に適応可能である。例えば、それらは、乳化食品、塗料、化粧品、他などの用途における使用に対して適応され得る。

[0066]本発明の趣旨を逸脱することなく、美的感覚など、他の変化がなされてよく、また、新材料が利用可能になり、ほぼ同じ機能をほぼ同じやり方で実施してほぼ同じ結果を得るときは、新材料の置き換えがなされてよい。

[0067]特許法の規定に従って、本発明の動作の原理およびモードは、その好ましい実施形態の中に説明され、例示されている。しかし、本発明は、その趣旨または範囲を逸脱することなく、具体的に説明され、例示されたものとは異なって実施されてよいことを理解されたい。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
反応器装置と、
前記反応器装置に接続される燃料吸入口と、
前記反応器装置に接続される吸水口と、
前記反応器装置に接続されるポンプと、
前記ポンプに接続され、実時間に必要に応じて負荷に供給する循環エマルション再処理インラインループとを備え、前記反応器装置が、前記吸水口および前記燃料吸入口からの水−燃料を乳化するのに十分なキャビテーションを発生させるように形作られた無振動アンビルを備える、実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態２］
前記循環ループが、最大負荷要求より大きい流量で循環する、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態３］
移動用途に適合され、船の上に装着される、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態４］
前記水−燃料エマルションが、その中心に炭素粒子を含む、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態５］
前記負荷が、ボイラ、ディーゼルエンジン、内燃機関、およびタービンから成る群から選択される少なくとも１つの負荷を含む、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態６］
前記キャビテーションが一定である、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態７］
前記キャビテーションが、前記アンビルの外縁に沿っている、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態８］
前記キャビテーションが、前記アンビルの後続表面に沿っている、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態９］
前記反応器装置が、燃料および水のための入口オリフィスを有する円筒形チャンバを備え、前記燃料および前記水が前記オリフィスを通過して、ある圧力および速度で前記アンビルに衝突して前記キャビテーションを発生させる、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１０］
前記キャビテーションが、前記アンビルの外縁および後続表面の周囲の液体中で発生される、形態９に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１１］
前記循環ループが燃料源と隔離される、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１２］
前記水と前記燃料との割合が調節可能である、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１３］
燃料中の水の分散が、設備または用途に適合するように可変である、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１４］
停止前に前記負荷を純粋な燃料で洗浄するために、エマルション供給と既存の燃料供給との間で交互に切り替えるための手段をさらに備える、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１５］
ポンプおよび管路の中での水の分離を避けるべく純粋な燃料による迅速な洗浄を促進するために、可能な限り燃焼点の近くで、乳化物を循環させる前記循環ループが霧化手段と交差する、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
［形態１６］
前記アンビルが円錐形の端部を有する固定式アンビルであり、円錐形の端部が、オリフィスと、前記円錐形の端部の基部と外部リップとの間に画定される、前記円錐形の端部の基部における環状凹部とを少なくとも部分的に画定し、前記オリフィスを通過する、前記吸水口からの水と前記燃料吸入口からの燃料とが、前記円錐形のアンビルに沿って前記リップの周囲で加速し、前記キャビテーションを発生して前記水−燃料を乳化する、形態１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。

Claims (16)

1. 反応器装置と、
   前記反応器装置に接続される燃料吸入口と、
   前記反応器装置に接続される吸水口と、
   前記反応器装置に接続されるポンプと、
   前記ポンプに接続され、実時間に必要に応じて負荷に供給する循環エマルション再処理インラインループとを備え、前記反応器装置が、前記吸水口および前記燃料吸入口からの水−燃料を乳化するのに十分なキャビテーションを発生させるように形作られた無振動アンビルを備え、前記反応器装置は、ばねを有せず、
   前記アンビルが円錐形の端部を有する固定式アンビルであり、円錐形の端部が、オリフィスと、前記円錐形の端部の基部と外部リップとの間に画定される、前記円錐形の端部の基部における環状凹部とを少なくとも部分的に画定し、前記オリフィスを通過する、前記吸水口からの水と前記燃料吸入口からの燃料とが、前記円錐形のアンビルに沿って前記リップの周囲で加速し、前記キャビテーションを発生して前記水−燃料を乳化する、実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
2. 前記循環ループが、最大負荷要求より大きい流量で循環する、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
3. 移動用途に適合され、船の上に装着される、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
4. 前記水−燃料エマルションが、その中心に炭素粒子を含む、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
5. 前記負荷が、ボイラ、ディーゼルエンジン、内燃機関、およびタービンから成る群から選択される少なくとも１つの負荷を含む、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
6. 前記キャビテーションが一定である、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
7. 前記キャビテーションが、前記アンビルの外縁に沿っている、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
8. 前記キャビテーションが、前記アンビルの後続表面に沿っている、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
9. 前記オリフィスは、燃料および水のための入口オリフィスであり、前記反応器装置が、前記入口オリフィスを有する円筒形チャンバを備え、前記燃料および前記水が前記オリフィスを通過して、ある圧力および速度で前記アンビルに衝突して前記キャビテーションを発生させる、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
10. 前記キャビテーションが、前記アンビルの外縁および後続表面の周囲の液体中で発生される、請求項９に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
11. 前記循環ループが燃料源と隔離される、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
12. 前記水と前記燃料との割合が調節可能である、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
13. 燃料中の水の分散が、設備または用途に適合するように可変である、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
14. 停止前に前記負荷を純粋な燃料で洗浄するために、エマルション供給と既存の燃料供給との間で交互に切り替えるための手段をさらに備える、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
15. ポンプおよび管路の中での水の分離を避けるべく純粋な燃料による迅速な洗浄を促進するために、可能な限り燃焼点の近くで、乳化物を循環させる前記循環ループが霧化手段と交差する、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。
16. 前記反応器装置はロッドを備え、前記アンビルは、前記ロッドに結合され、前記アンビルは前記オリフィスを生成し、前記オリフィスは、前記ロッドに配置された外部調節部によって調節され、前記反応器装置は、前記ロッドと前記反応器装置との間の漏れを防止するシールを備える、請求項１に記載の実時間インライン水−燃料エマルションシステム。

Images