(57)【要約】液体燃料２と水等の不溶性液体４との混合液１１を収容または流通させる容器等１０と、この容器等の混合液に少なくとも一部が接する配置で設けられた振動体１３と、この振動体１３を高周波振動させる振動発生装置２０と、振動体１３に狭隘な空間をあけて対向する反射体１４とを備える。振動体１３の高周波振動により燃料２に不溶性液体４を拡散・混合させて超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料１２を生成する。上記構成によれば、キャビテーション効果を極めて効果的に発生させ、これをより有効に利用できる各種液体混合物の超微粒化技術を提案するものであり、特にエマルジョン燃料、工業用液体材料、食品、化粧品もしくは薬品等の液体混合物を、短時間で能率よく超微粒化することができ、超高混合密度化、高品質化を図ることができるとともに、長期間保存しても液体材料の分離が殆ど生じることがない液体混合物を得ることができる。
2004004881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種以上の液体同士を混合材料とする液体混合物、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、または前記各液体混合物を組合せたものを生成する液体混合装置であって、前記混合材料が収容される容器と、この容器内に設けられ、少なくとも一面が前記混合材料と一定範囲に亘って接する配置とされる振動体と、この振動体に連結され、この振動体を前記一面と直交する方向に高周波振動させる高周波振動発生装置と、前記容器内に設けられ、前記振動体の前記混合材料に接する面との間に狭隘な空間をあけて対向配置されて当該対向面間に存在する前記混合材料に前記振動体による高周波振動の反射波を生じさせる反射体とを備え、前記振動体と前記反射体とは、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記液体混合物を超微粒化および高密度化させる機能を有することを特徴とする液体混合装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記高周波振動発生装置による前記振動体の高周波振動領域は、超音波領域に設定されている液体混合装置。
【請求項３】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動体は、前記混合材料にキャビテーション泡の生成と崩壊とを連続して繰り返させるものである液体混合装置。
【請求項４】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動発生装置は、圧電型セラミックス振動子または超磁歪材料もしくは磁歪材料により構成された振動子を備え、前記振動体は、前記振動子と一体構造とされ、または前記振動子とは別部材として前記振動子に連結した構造とされている液体混合装置。
【請求項５】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動体および反射体の少なくとも互いに対向する表面部分が、キャビテーション泡に壊触されにくい高硬度の材料によって構成されている液体混合装置。
【請求項６】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記反射体は、前記容器に交換可能に設けられている液体混合装置。
【請求項７】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動体と前記反射体との間隔は、１０ｍｍ以下とされている液体混合装置。
【請求項８】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記容器は、前記振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口と、前記振動体と反射体との間で衝撃波を受けて微粒化した液体混合物を外部に排出する液体混合物排出口とを有する液体混合装置。
【請求項９】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記容器は、前記振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口として、前記反射体の中央位置を貫通する１または複数の孔を有する液体混合装置。
【請求項１０】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動体および反射体の少なくともいずれか一方の対向面に、円錐状の多数のピットを設け、この各ピットから発生する前記衝撃波を、前記振動体と前記反射体との間の空間の一点にそれぞれ焦点部として収束させ、前記焦点部の集合により前記振動体と前記反射体との間に超高衝撃波発生領域を生成させる構成とした液体混合装置。
【請求項１１】
請求の範囲第１項記載の液体混合装置において、前記振動体は、振動方向に沿って対向する配置で複数段設けられ、各段の対向する前記振動体同士は相互に反射体として機能する液体混合装置。
【請求項１２】
請求の範囲第１１項記載の液体混合装置において、前記振動体に前記混合材料を蛇行して流通させる流路孔が穿設されている液体混合装置。
【請求項１３】
２種以上の液体同士を混合材料とする液体混合物、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、または前記各液体混合物を組合せたものを生成する液体混合方法であって、前記混合材料を、高周波振動する振動体とこの振動体に狭隘な空間をあけて対向する反射体とを有する容器内に収容し、前記振動体と前記反射体との間に存在する前記混合材料を、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記液体混合物を超微粒化および高密度化することを特徴とする液体混合方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項記載の液体混合方法において、２種以上の液体同士を混合材料として適用する場合、一の液体を重油、軽油、廃油または廃食油とし、他の液体を前記油以外の油、アルコール、前記アルコール以外の溶剤および水から選ばれる一種以上の液体とし、これらの混合により液体燃料を生成する液体混合方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１３項記載の液体混合方法において、液体と気体とを混合材料として適用する場合、前記液体を食用油もしくは油脂、またはこれらに液状添加剤および香料から選ばれる一種以上の液体を加えたものとする一方、前記気体を空気とし、これらの混合によりクリーム状の食品、化粧品もしくは薬品を生成する液体混合方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１３項記載の液体混合方法において、液体と粉体とを混合材料として適用する場合、前記液体を工業用、食用、化粧用もしくは薬用の液体原料とし、前記粉体をセラミックス微粉末、食用微粉末、化粧用微粉末もしくは薬用微粉末またはこれらに添加剤を加えたものとし、これらの混合により液体工業用材料、食品、化粧品、または薬品を生成する液体混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、例えば燃料、工業用材料、食品、化粧品もしくは薬品等に適用される各種液体混合物を生成するための液体混合技術に係り、特にキャビテーション効果をより有効に利用することによって、液体混合物の超微粒化・高混合密度化を達成することができる液体混合装置および液体混合方法に関するものである。
【背景技術】  一般にディーゼルエンジン車などは、軽油を燃料として走行しているが、近年、排気ガスに含まれるＮｏｘや未燃焼生成物、煤塵などの排出が大気を汚染し、人間に健康被害をもたらしていることが社会問題として取り上げられている。
このため、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化を目的として種々の技術開発がなされ、例えばエンジンの排気管先端部にセラミックスフィルタや特殊な触媒装置を取付け、Ｎｏｘや煤塵の排出量を低減させることが行なわれている。
ところで、ディーゼルエンジン車、とりわけ大型トラック等では、排気量が大きいためにエンジンから排出される排気ガスも多量になり、これらの排気ガス浄化装置は、大型の装置となってくる。また、排気ガスに含まれる種々の化学物質を目の細かいフィルタや触媒表面によって捕集するため、走行距離が長くなるに従って目詰まりが生ずることになり、装置内部を定期的に洗浄し、目詰まりした物質を除去する作業が必要となってくる。
そこで最近では、このような装置の大型化や作業手間に対処するため、ディーゼルエンジンの燃料そのものを改良して、排気ガス中の煤塵等を低減させようとする技術開発がなされている。
この技術の一つとして、軽油等のディーゼルエンジン用燃料に水を混合し、スクリュー式のプロペラにて混合液を攪拌してエマルジョン化する装置が提案されている。すなわち、このようなエマルジョン化された燃料は、燃焼の際に水分が蒸発して小爆発を起こすことにより完全燃焼を促進され、ＮＯｘや煤塵の発生が抑制されるというものである。
しかし、このようなスクリュー式の攪拌手段の場合には、燃料をエマルジョン化する設備が大掛かりになるとともに処理に長時間が必要であり、しかも生成されたエマルジョン燃料についても、その中に含まれている水の塊が大きいために、しばらく放置しておくと短時間のうちに元の燃料と水とに分離してしまう現象が発生していた。
一方、燃料以外の分野、例えばセラミックス等の工業用材料、クリーム等の練り食品、化粧品もしくは薬品等の分野においても、各種液体混合物が用いられている。そして、これらの分野における液体混合物についても、工業製品としての中間製品や最終製品の形状・寸法等の高精度化・品質向上等が望まれ、また食品の食感、化粧品や薬品の特性等の向上が求められている。しかしながら、このような各種分野における液体混合物についても、必ずしも求められる超微粒化・高混合密度化が達成されていない。
なお、従来の公知技術としては、例えば特開平１０−２７７３７５号公報において、燃料を断熱膨張と超音波を用いて超微粒化し、エマルジョン化することが開示されている。この技術においては、キャビテーションを発生させないことにより、均一に分散したエマルジョンを製造することができると紹介されている。
また、他の公知技術としては、特開平８−３１０９７１号公報において、超音波診断用造影剤について、超音波処理のキャビテーション効果により分散相の気化を促進し、少ない投与量で十分な造影効果を得ることができることが開示されている。
さらに、別の公知技術として、特開平１０−２９８０５１号公報において、油相とポリマー粒子を一緒に攪拌して水相と混合し、次にキャビテーション原理に基づくホモナイズ化をさせることにより、良好かつ安定な水中油滴型エマルジョンを得ることが開示されている。
上述したように、軽油等の燃料に水等の不溶性液体を混合してエマルジョン燃料とする従来の技術では、スクリュー式攪拌手段を採用しているため大掛かりな設備構成が必要となるとともに、エマルジョン化に長時間を要し、さらにエマルジョン化した後の燃料が短時間のうちに分離するなど、実際にディーゼルエンジンやその他の燃焼装置、例えばボイラ等に利用するに際して種々の問題がある。
なお、上述した特開平１０−２７７３７５号公報の記載によれば、燃料を断熱膨張と超音波を用いて超微粒化する場合、均一に分散したエマルジョンを製造するにはキャビテーションを発生させないことが望ましいとされているが、これは微粒化処理の際における燃料の流動性に着目した見解である。液体の微粒化自体については、上述した他の公知文献（特開平８−３１０９７１号公報、特開平１０−２９８０５１号公報）に記載されているように、キャビテーション効果による高エネルギを利用することが望ましいと考えられる。
しかしながら、キャビテーション効果の利用に関する上記２つの公知文献においては、高エネルギをより効果的に取出すための明確な装置構成および方法等についての具体的な開示がされていない。一般的なキャビテーション効果を得る技術としては、上述したスクリュー式攪拌手段のように、液体中で攪拌手段を高速回転させるか、１枚の振動板を液体中で高速振動させる程度のものであり、必ずしも十分なキャビテーション効果を得ることができず、液体混合物を能率よく超微粒化することは困難である。このような従来技術で得られる液体混合物は、上述したように、比較的短時間のうちに各液体材料毎に分離し易く、長時間の品質保存ができない等の問題がある。
また、セラミックス等の工業用材料、クリーム等の練り食品、化粧品もしくは薬品等に適用される各種液体混合物についても、上述した従来の技術のもとでは、必ずしも超微粒化・高混合密度化が図れず、高品質化等の要望に十分に対応することができない。
さらに、液体混合物としては、液体同士を混合材料とするもののほか、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、またはこれらの各液体混合物を組合せたものが存在する。このような液体混合物全般についても、従来技術のもとでは、望まれる超微粒化が必ずしも十分に達成できていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャビテーション効果を極めて効果的に発生させ、これをより有効に利用できる各種液体混合物の超微粒化技術を提案するものであり、特にエマルジョン燃料、工業用液体材料、食品、化粧品もしくは薬品等の液体混合物を、短時間で能率よく超微粒化することができ、超高混合密度化、高品質化を図ることができるとともに、長期間保存しても液体材料の分離が殆ど生じることがない液体混合物を得ることができる液体混合装置および液体混合方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
発明者においては、２種以上の液体同士を混合材料とする液体混合物、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、または前記各液体混合物を組合せたもの等、各種の液体混合物について、キャビテーション効果による超微粒化のメカニズムについて研究した結果、混合材料が収容される容器内で、高周波振動する振動体と、この振動体による混合材料の振動を反射させる反射体とを、互いの間に狭隘な空間をあけて対向させることにより、極めて高いキャビテーション効果を得ることができ、液体混合物を超微粒化し、超高混合密度化、高品質化を図ることができることを見出した。
例えば２種の液体同士からなる液体混合物であるエマルジョンにおいては、一方の液体中に他方の液体が細かい塊状の水滴として混合した状態で存在している。このエマルジョンを振動体と反射体との狭隘な空間に導入した状態で、振動体を反射体から離間する方向に動作させると、振動体と反射体との狭隘な空間に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により液体混合物中に気泡、すなわちキャビテーション泡が発生する。
次に、振動体を高周波振動により反射体に接近する方向に動作させると、瞬間的に高圧の圧力場が形成され、キャビテーション泡は高圧によって崩壊される。このキャビテーション泡の崩壊時には、高圧の衝撃波（泡崩壊時発生衝撃波）が発生する。この衝撃波は、塊状となっている他方の液体に破壊エネルギとして作用し、キャビテーション泡の崩壊時には、その液体を破裂させる外向きの破壊エネルギが発生する。これにより、その液体は、より小さい塊状へと分割される。
このように、キャビテーション泡の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百ＭＰａに達する。そして、衝撃波は振動体と反射体との間で反射し、衝撃波反射波となって、再び一方の液体と他方の液体とに衝撃波として繰り返し作用する。
また、振動体を２０ＫＨｚ以上の超音波領域で振動させると、例えば液体燃料の場合、分子のクラスターが振動によって小さくなる。したがって、振動体を超音波振動させることにより、キャビテーションによる衝撃圧力と、超音波振動によるクラスター分解作用との相乗効果により、燃料等の高分子鎖は物理的に切断され、低分子化による改質作用も行われる。このことにより、高分子の液体自体についてもキャビテーションの衝撃波および反射波によって低分子化が促進され、燃料の場合には、より燃焼し易い成分に変化する。
また、キャビテーション処理においては、さらに混合および撹絆作用が加えられ、拡散・混合が推進される。これにより、超微粒化・高混合密度の液体混合物が生成される。なお、各液体の供給量を一定に制御することにより、各液体が一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高い液体混合物が生成される。
このように、狭隘な空間をあけて振動体と反射体とを対向させてキャビテーションを有効に発生させることにより、キャビテーション泡の崩壊により発生した衝撃波が周囲に拡散されずに閉じこめられた状態で保持され、高密度な衝撃波場が形成・保持され、液体混合物が衝撃波により、微細な分子の状態に分断されて細分化されると同時に、混合・撹絆を繰り返すことにより、均一な拡散・混合が行われる。
そして、上述のようにして生成された液体混合物は、一定以上の高エネルギを加えない限り、容易に元の状態に戻ることはない。したがって、微細化された液体材料の状態は、長期間に亘って維持され続けるので、長期間保存しても各液体材料に分離することが殆どなく、品質低下等の問題が生じることもなく常時、良好な品質の液体混合物として各種分野において利用することができる。
本発明に係る液体混合装置は、以上の知見に基づいてなされたものであり、２種以上の液体同士を混合材料とする液体混合物、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、または前記各液体混合物を組合せたものを生成する液体混合装置であって、前記混合材料が収容される容器と、この容器内に設けられ、少なくとも一面が前記混合材料と一定範囲に亘って接する配置とされる振動体と、この振動体に連結され、この振動体を前記一面と直交する方向に高周波振動させる高周波振動発生装置と、前記容器内に設けられ、前記振動体の前記混合材料に接する面との間に狭隘な空間をあけて対向配置されて当該対向面間に存在する前記混合材料に前記振動体による高周波振動の反射波を生じさせる反射体とを備え、前記振動体と前記反射体とは、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記液体混合物を超微粒化および高密度化させる機能を有する構成としている。
この液体混合装置の望ましい態様は、以下のとおりである。
前記高周波振動発生装置による前記振動体の高周波振動領域を、超音波領域に設定する。
前記振動体は、前記混合材料にキャビテーション泡の生成と崩壊とを連続して繰り返させるものとする。
前記振動発生装置は、圧電型セラミックス振動子または超磁歪材料もしくは磁歪材料により構成された振動子を備え、前記振動体は、前記振動子と一体構造とされ、または前記振動子とは別部材として前記振動子に連結した構造とする。
前記振動体および反射体の少なくとも互いに対向する表面部分が、キャビテーション泡に壊触されにくい高硬度の材料によって構成されているものとする。
前記反射体は、前記容器に交換可能に設けられている構成とする。
前記振動体と前記反射体との間隔は、１０ｍｍ以下とされている構成とする。
前記容器は、前記振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口と、前記振動体と反射体との間で衝撃波を受けて微粒化した液体混合物を外部に排出する液体混合物排出口とを有する構成とする。
前記容器は、前記振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口として、前記反射体の中央位置を貫通する１または複数の孔を有する構成とする。
前記振動体および反射体の少なくともいずれか一方の対向面に、円錐状の多数のピットを設け、この各ピットから発生する前記衝撃波を、前記振動体と前記反射体との間の空間の一点にそれぞれ焦点部として収束させ、前記焦点部の集合により前記振動体と前記反射体との間に超高衝撃波発生領域を生成させる構成とする。
前記振動体は、振動方向に沿って対向する配置で複数段設けられ、各段の対向する前記振動体同士は相互に反射体として機能する構成とする。
前記振動体に前記混合材料を蛇行して流通させる流路孔が穿設されている構成とする。
また、本発明に係る液体混合方法では、液体同士を混合材料とする液体混合物、液体と気体とを混合材料とする液体混合物、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物、または前記各液体混合物を組合せたものを生成する液体混合方法であって、前記混合材料を、高周波振動する振動体とこの振動体に狭隘な空間をあけて対向する反射体とを有する容器内に収容し、前記振動体と前記反射体との間に存在する前記混合材料を、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記液体混合物を超微粒化および高密度化する。
この液体混合方法の望ましい態様は、以下のとおりである。
２種以上の液体同士を混合材料として適用する場合、一の液体を重油、軽油、廃油または廃食油とし、他の液体を前記油以外の油、アルコール、前記アルコール以外の溶剤および水から選ばれる一種以上の液体とし、これらの混合により液体燃料を生成する。
液体と気体とを混合材料として適用する場合、前記液体を食用油もしくは油脂、またはこれらに液状添加剤および香料から選ばれる一種以上の液体を加えたものとする一方、前記気体を空気とし、これらの混合によりクリーム状の食品、化粧品もしくは薬品を生成する。
液体と粉体とを混合材料として適用する場合、前記液体を工業用、食用、化粧用もしくは薬用の液体原料とし、前記粉体をセラミックス微粉末、食用微粉末、化粧用微粉末もしくは薬用微粉末またはこれらに添加剤を加えたものとし、これらの混合により液体工業用材料、食品、化粧品、または薬品を生成する。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の第１実施形態として、燃料装置を示す構成図である。
第２図は、第１実施形態における燃料エマルジョン化の作用説明図である。
第３図は、第１実施形態における燃料エマルジョン化の作用説明図である。
第４図は、第１実施形態における燃料エマルジョン化の作用説明図である。
第５図は、第１実施形態における燃料改質効果を示す測定グラフである。
第６図は、本発明の第２実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第７図は、本発明の第２実施形態における断面図である。
第８図は、本発明の第２実施形態の変形例を示す断面図である。
第９図は、本発明の第３実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第１０図は、本発明の第４実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第１１図は、本発明の第５実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第１２図は、本発明の第６実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第１３図は、本発明の第７実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
第１４図は、第１３図の拡大断面図である。
第１５図は、本発明の振動体の拡大断面図である。
第１６図は、本発明の第７実施形態における変形例を示す断面図である。
第１７図は、本発明の第８実施形態として、ディーゼルエンジンを示す構成図である。
第１８図は、本発明の第９実施形態として、ディーゼルエンジンを示す構成図である。
第１９図は、本発明の第１０実施形態として、燃料装置を示す構成図である。
第２０図は、本発明の第１１実施形態の液体混合装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１…燃料装置、２…燃料、３…燃料供給管、４…清水、４ａ…水滴、５…水供給管、６…燃料供給ポンプ、７…燃料流量調整弁、８…水供給ポンプ、９…水流量調整弁、１０…エマルジョン燃料生成タンク、１１…混合液、１２…エマルジョン燃料、１３…振動板、１４…反射板、１５…キャビテーション発生部、１５ａ…開口部、１５ｂ…他方の開口部、１６…吸液部材、１７…排液管、１８…吸込みポンプ、１９…連結棒、２０…高周波振動発生装置、２２…振動子、２３…高周波用コイル、２４…高周波電源装置、２５…電源ケーブル、２６…支持アーム、２７…取付ボルト、２８…静止部、２９…キャビテーション泡、３０…ディーゼルエンジン、３１…燃料タンク、３２…水タンク、３３…エマルジョン燃料供給配管、３４…吸込みポンプ、３５…流量調整弁、３６…エマルジョン燃料噴射ポンプ、３７ａ，３７ｂ…燃料噴射用配管、３８…ディーゼルエンジン本体、３９ａ，３９ｂ…シリンダ、４０…エンジン回転軸、４１…フランジ、４２…発電機、４３…回転軸、４４…送電用ケーブル、４５…電力変換器、４６…出力端子、４７…電源ケーブル、４８…コントローラ、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ…信号線、５０，５１…電源ケーブル、５７…流路、５８ａ…燃料入口、５８ｂ…水入口、５９…エマルジョン燃料出口、６０…流量調整弁、６１…ガイドロッド、６２…フランジ、６３…ボルト、６４…弾性支持体、６５…振動子、６６…小径孔、６７…コイル、７０…容器、７１…底壁、７２…凹部、７３…締結具、７４…小孔、７５…排出管、７６…バルブ、８１…第１のタンク、８２…第２のタンク、８３，８４…混合材供給配管、８５，８５…ポンプ、９１…第３のタンク、９２…ポンプ、１０１…一次予混合槽、１０２…スラリーポンプ、１０３…液体供給配管、１０４…フィルタ、１０５…ポンプ、１１０…ピット、１１１…焦点部、１１２…超高衝撃波発生領域、ｂ…反射波、ｃ…衝撃波。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態（第１図〜第５図）］
本実施形態では２種の液体同士を混合材料として適用する液体混合装置および液体混合方法について説明する。特に、一の液体を重油または軽油等の液体燃料とし、他の液体を水とし、これらの混合によりエマルジョン燃料を生成する燃料装置および燃料生成方法について説明する。
第１図は、本実施形態による燃料装置の構成を示す概略図であり、第２図〜第５図は作用説明図である。
第１図に示すように、本実施形態の液体混合装置（燃料装置）１は、例えば軽油等の液体燃料（以下、単に「燃料」という）２を供給する燃料供給管３と、燃料に対する不溶性液体、例えば水（本実施形態では「清水」を適用する）４を供給する水供給管５とを備えている。
燃料供給管３の基端側は図示しない燃料タンクに接続されており、この燃料管３には燃料供給ポンプ６および燃料流量調整弁７が設けられている。燃料供給ポンプ６および燃料流量調整弁７は、図示しない制御手段に接続され、後述するエマルジョン燃料生成処理に必要な所定の燃料の供給量が確保されるようになっている。
同様に、水供給管５の基端側も図示しない水タンクに接続されており、この水供給管５にも水供給ポンプ８および水流量調整弁９が設けられている。水供給ポンプ８および水流量調整弁９も、図示しない制御手段に接続され、エマルジョン燃料生成処理に必要な所定の清水の供給量が確保されるようになっている。
これら燃料供給管３および水供給管５の各先端側は互いに接近して、エマルジョン燃料生成タンク１０内に配置され、これにより混合材料入口が形成されている。なお、燃料供給管３および水供給管５の各先端部は、第１図の例では垂直配置とされた後、先端部分が傾斜状態となって斜め下方に開口している。
エマルジョン燃料生成タンク１０は、燃料供給管３から供給される燃料２と、水供給管５から供給される清水４との混合液１１を、一時的に収容できる容器であり、その内部において燃料２中に清水４を拡散・混合させ、混合液１１から超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料１２を生成するものである。
すなわち、エマルジョン燃料生成タンク１０は、略水平に配置された平坦な直方体状の密閉タンク構造とされており（第１図では、密閉用のタンク上壁を図示省略してある）、その内側上部に振動体としての水平板状の振動板１３が配置されるとともに、この振動板１３の下面に対向するタンク内下部には、振動板１３と対向する配置で反射体としての水平な反射板１４が配置されている。これら振動板１３と反射板１４との間には、キャビテーション発生部１５として上下方向に狭隘な空間、例えば間隙δが１０ｍｍ以下、具体的には数ｍｍの空間が形成されている。このキャビテーション発生部１５としての空間の横向きの開口部分に、前述した燃料供給管３および水供給管５の各先端開口部が臨んでおり、燃料２と清水４との混合液１１がキャビテーション発生部１５内に横向きの一方の開口部１５ａから導入されるようになっている。
なお、キャビテーション発生部１５の横向きの他方の開口部１５ｂには、漏斗状の吸液部材１６がその広口部をキャビテーション発生部１５に向けて横向きに配置され、この吸液部材１６の狭口側には排液管１７が接続され、これにより液体混合物排出口が形成されている。排液管１７は、エマルジョン生成タンク１０の任意の壁、例えば底壁１０ａを垂直に貫通して外部方向に延び、吸込みポンプ１８を介してエマルジョン燃料１２を、所定のエマルジョン燃料供給部に供給するようになっている。
振動板１３および反射板１４は、それらの全体または少なくとも相対する面を構成する部分が硬度の高い材料、例えばセラミックスまたは超硬合金などの硬質材料によって構成される。
セラミックスとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびジルコニア（ＺｙＯ２）等が適用される。
また、超硬合金としては、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）、タングステンカーバイド・コバルト合金（ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ等）およびステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）等が適用される。
このような材料の適用により、振動板１３および反射板１４は、後述するキャビテーション発生時における衝撃に十分耐え、壊触されない高強度をもつ構成とされている。なお、振動板１３および反射板１４の対向部分のみを高硬度とする場合には、各種金属等の母材の表面にセラミックスもしくは超高合金等の硬質メッキによる表面処理を施すこと等により構成することができる。
そして、振動板１３は、例えば上方に向って延びる垂直な連結棒１９を介して高周波振動発生装置２０に連結され、この高周波振動発生装置２０によって上下方向（矢印ａ方向）に高周波振動されるようになっている。
高周波振動発生装置２０は、ケース内に振動源として例えば磁歪材料からなる振動子２２を収納するとともに、その振動子２２を駆動するための高周波用コイル２３を配置して構成したものであり、高周波電源装置２４から電源ケーブル２５にて高周波電力が供給されるようにしたものである。なお、高周波電源装置２４は、商用電源、車両用バッテリあるいは車両の発電機等の基本電源からの電力を周波数変換し、高周波電流を発生するものである。これにより、振動子２２ひいては振動板１３の高周波振動領域が、例えば超音波領域２０ｋＨｚ以上に設定される。
なお、振動発生装置２０の振動子２２は、圧電素子または超磁歪材料により構成することもでき、また、振動板１３と振動子２２とを同一材料により一体構造とすることもできる。高周波発生装置２０は、支持アーム２６に取付ボルト２７を介して固接されており、支持アーム２６は強固な静止部２８に固定されている。
次に、エマルジョン燃料生成方法について説明する。まず、第１図に示すように、燃料２が燃料供給管３の燃料供給ポンプ６により燃料流量調整弁７を経由して、エマルジョン燃料生成タンク１０内に配置された振動板１３と反射板１４との狭隘な空間部、すなわちキャビテーション発生部１５に供給される。一方、清水４も同様に水供給管５の水供給ポンプ８により水流量調整弁９を介してエマルジョン燃料生成タンク１０内のキャビテーション発生部１５に供給される。これにより、燃料２と清水４との混合液はキャビテーション発生部１５およびエマルジョン燃料生成タンク１０内に充満する。
この場合、燃料供給ポンプ６および水供給ポンプ８から吐出される流量は、エマルジョン燃料の必要な生成量に従って制御される。そして、高周波振動発生装置２０の先端部に取付けられた振動板１３は、少なくとも下面、例えば全体が、エマルジョン燃料生成タンク１０内に充満した燃料２および清水４の混合液１１に浸漬される状態となる。
この状態で振動板１３が高周波振動することにより、キャビテーション発生部１５において混合液１１にキャビテーションが発生し、燃料２に清水４が拡散・混合して超微粒化され、高混合密度のエマルジョン燃料１２が生成される。
第２図は、このエマルジョン燃料１２の生成メカニズムを示す説明図である。第２図に模式的に示すように、エマルジョン燃料生成タンク１０内の混合液１１は、燃料２中に清水４が細かい塊状の水滴４ａとして混合した状態で存在している。振動板１３と反射板１４との狭隘な空間に導入された混合液１１についても同様である。
この状態で振動板１３が振動方向ａに沿って上向きに動作すると、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により混合液１１中に気泡、すなわちキャビテーション泡２９が発生する。このキャビテーション泡２９は燃料２中に多数発生するとともに、塊状となって燃料２に分散混合している水滴４ａ中にも発生する。
そして、振動板１３が高周波振動により次の瞬間に下向きに動作すると、上記と逆に高圧の圧力場が形成され、キャビテーション泡２９は高圧により崩壊される。このキャビテーション泡２９の崩壊時には、高圧の衝撃波（泡崩壊時発生衝撃波：矢印ｃ）が発生する。この衝撃波ｃは、塊状の水滴４ａに破壊エネルギとして作用する。特に水滴４ａ内に発生したキャビテーション泡２９の崩壊時には、その水滴４ａを破裂させる外向きの破壊エネルギが発生する。これにより、水滴４ａは、より小さい塊状へと分割する。また、衝撃波ｃは振動板１３と反射板１４との間で反射し、衝撃波反射波（以下、単に「反射波」という：矢印ｂ）となって、再び燃料２と清水４（水滴４ａ）とに衝撃波として繰り返し作用することになる。
すなわち、振動板１３が燃料２および清水４の混合液１１中で高周波振動すると、振動板１３の超高速往復動作によって微細なキャビテーション泡２９の形成・崩壊が繰返される。
第３図は、振動板１３の振動によって生じるキャビテーション泡が崩壊する時の衝撃波速度（縦軸：単位ｍ／ｓ）と、その往復動作によって形成・崩壊される微細なキャビテーション泡２９の直径（横軸：単位ｍｍ）との関係を示す特性図である。この第３図に示すように、振動板１３の速度を適当な振動速度にし、直径０．２〜０．８ｍｍの微細なキャビテーション泡２９を発生させ、崩壊させた場合には、衝撃波の速度は約１００〜２００ｍ／ｓの高速で伝播する。
そして、このキャビテーション泡２９の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百ＭＰａに達する。この衝撃圧力が数百ＭＰａに達することは、高周波振動を超音波領域に設定した本実施形態において、明確に観測することができた。
第４図は、振動板１３と反射板１４との間隙値（横軸：単位ｍｍ）と、この両者の間隙におけるキャビテーション発生部１５での発生圧力（縦軸：単位Ｍｐａ）との関係を示す実測値に基づく特性図である。この第４図に示すように、振動板１３と反射板１４との間隙値１０ｍｍ以下とすることにより、発生圧力を１００〜３００Ｍｐａとすることができる。
また、キャビテーション発生部１５においてキャビテーション泡２９の崩壊時に発生する衝撃波ｃと、発生した衝撃波ｃの反射波ｂとは、燃料２に対しても作用する。すなわち、振動板１３を２０ＫＨｚ以上の超音波領域で振動させると、高分子の液体である燃料２中の分子のクラスターが振動によって小さくなる。したがって、振動板１３を超音波振動させることにより、キャビテーションによる衝撃圧力と、超音波振動によるクラスター分解作用との相乗効果により、燃料２を構成している高分子鎖が物理的に切断され、低分子化による改質作用も行われる。
第５図は、燃料２として軽油を適用した場合について、キャビテーション発生部１５で改質作用を受けた燃料成分の分析結果を示した測定グラフである。第５図の横軸に軽油の分子数を表し、縦軸に分子量を表している。キャビテーション処理前の燃料の場合は、第５図に実線の柱状グラフによる特性線Ａとして示したように、高分子側の分子量が多く、低分子側の分子量が少ない。
これに対し、キャビテーション処理後においては、第５図に仮想線の柱状グラフによる特性線Ｂとして示したように、高分子側の分子量が低減するとともに、低分子側の分子量が増加する傾向を示す。このことは、高分子側の分子の鎖が衝撃波にて分断され、分断された低分子が増加分として計測されたことを裏付けている。このことにより、清水４を添加して撹絆・混合するだけではなく、燃料２そのものもキャビテーションの衝撃波ｃおよび反射波ｂによって低分子化が促進され、より燃焼し易い成分に変化していることを物語っている。
また、キャビテーション処理においては、このように低分子化した燃料２と、微細化された水滴４ａとに対し、さらに混合および撹絆作用が加えられ、拡散・混合が推進される。これにより、超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料１２が生成される。なお、燃料２と清水４との供給量を一定に制御することにより、燃料２と清水４とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いエマルジョン燃料が生成される。
以上のように、キャビテーション発生部１５の上下幅を数ｍｍとした本実施形態においては、キャビテーション泡２９の崩壊により発生した衝撃波ｂ，ｃが周囲に拡散されずに閉じこめられた状態で保持されるため、高密度な衝撃波場が形成・保持される。そして、清水４は衝撃波により、微細な分子の状態に分断されて細分化されると同時に、燃料２と混合・撹絆を繰り返すことにより、均一に水分が拡散・混合されたエマルジョン燃料が生成されるものである。なお、実験結果によると、キャビテーション発生部１５の間隙値を１０ｍｍまで拡大しても、前記と略程度の効果が得られることが認められた。
なお、第１図に示すように、生成されたエマルジョン燃料１２は、キャビテーション発生部１５の右端に設けられた漏斗状の吸液部材１６から排液管１７を介して吸込みポンプ１８によりエマルジョン燃料生成タンク１０の外部に排出され、所定容器への収容または燃焼器への連続供給等、次工程への供給が行なわれる。
そして、上述のようにして生成されたエマルジョン燃料１２は、一定以上の高エネルギを加えない限り、容易に元の状態に戻ることはない。したがって、微細化された水滴４ａおよび低分子化された燃料２の状態は、長期間に亘って維持され続けるので、長期間保存しても燃料２と清水４とに分離することが殆どなく、燃焼器への供給等、次工程への供給時においても品質低下等の問題が生じることなく常時、良好な品質のエマルジョン燃料としてディーゼルエンジン、ボイラ、その他各種燃焼器に供給利用することができる。
そして、本実施形態により生成したエマルジョン燃料１２をディーゼルエンジン、ボイラ、その他各種燃焼器に供給して燃焼した場合には、燃料が超微粒化・高混合密度であり、かつ燃料２と清水４とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いものであるため、燃焼温度が低く抑えられとともに、燃料中の水分が水蒸気となり、水蒸気の一部が分離して小爆発の現象（マイクロエクスプロージョン現象）を起こし、爆発力で燃料をはじき散らすことにより空気との混合を助け、燃焼反応が助長されることにより、未燃焼部分が殆どなくなる。このため、従来では未燃焼によって生成されていた未燃焼生成物、いわゆる黒煙の煤塵の発生が大きく低減する。また、本実施形態によって得られたエマルジョン燃料１２は、燃焼温度が低く抑えられるため、燃焼時に有害なＮＯｘ等の化学物質の生成も殆ど生じない。したがって、燃焼排気ガス中に含まれる黒煙などの煤塵や有害なＮＯｘ等の化学物質の生成を大幅に抑制することができ、大気汚染防止を効果的に推進することができる。
また、本実施形態によれば、小型かつ簡易な構成のもとで、燃料のエマルジョン化を能率よく行うことができ、しかも生成したエマルジョン燃料を長期間保存しても燃料と他の液体との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料生成が可能となる。したがって、従来のスクリュー式攪拌手段を採用する場合等と比較して、構成が簡易かつ小型なもので済み、大掛かりな設備構成も不要となり、燃焼器への実際利用が容易に図れるようになる。
なお、以上の第１実施形態においては、燃料２と清水４とを均一に撹絆・混合する場合について述べたが、これは最も望ましい場合を例示したものであり、清水以外の水、例えば中水を利用することも場合により可能である。また、水に加え、燃料の燃焼上において望まれる他の液体、例えば界面活性剤等の乳化剤を混合する等の応用も可能である。
［第２実施形態（第６図〜第８図）］
本発明の第２実施形態では、２種の液体同士を混合材料として適用する液体混合装置および液体混合方法について説明する。特に、液体混合物生成用の容器が、振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口として、反射体の中央位置を貫通する１または複数の孔を有する構成について説明する。また、一の液体を重油、軽油、廃油または廃食油とし、他の液体を前記油以外の油、アルコール、アルコール以外の溶剤とし、これらの混合によりエマルジョン燃料または改質された液体燃料を生成する方法について説明する。
本実施形態の液体混合装置１は、基本的な構成については第１実施形態と略同様である。すなわち、第６図に示すように、液体混合用の容器７０内の平面視における略中央位置に、振動発生装置２０に連結された水平な円板状の振動板１３が配置され、この振動板１３の下方には、反射板１４が狭隘な空間をあけて水平に配置されている。
反射板１４は、容器７０の底壁７１中央に設けた上側開口の平面視円形状の凹部７２に嵌合され、この反射板１４の表面（上面）と容器７０の底壁上面とが高さ方向において一致する構成となっている。そして、反射板１４の周囲部がボルト等の締結具７３によって着脱可能に締結固定され、反射板１４が長期間の使用等により消耗した場合に容易に交換できるようになっている。
そして、第６図および第７図に示すように、この反射板１４の略中央位置には、例えば１つの小孔７４が上下方向に貫通して形成され、この小孔７４が混合材料導入用の入口とされている。なお、容器７０には液体混合物の排出口としてバルブ７６付きの液体排出管７５が設けられている。
なお、反射板１４の小孔７４は必ずしも１つに限らず、例えば第８図に示すように２つ、あるいは図示しないがそれ以上の複数としてもよい。
そして、本実施形態においては、２種類の液体の供給源として、第１のタンク８１および第２のタンク８２が配置されている。
第１のタンク８１には、燃料となる油、例えば重油、軽油、廃油（例えばエンジンオイル）または廃食油が収容されている。また、第２のタンク８２には、例えば第１のタンク８１に収容された油以外の油（第１のタンク８１に重油が収容されている場合における軽油、廃油、廃食油）、アルコールまたはアルコール以外の溶剤（例えばシンナー等の芳香族系の溶剤）、その他の燃焼可能な液体原料が収容されている。
これらのタンク８１、８２には、混合材供給配管８３，８４が接続されるとともに、各混合材供給配管８３，８４には、それぞれポンプ８５、８６が設けられている。各混合材供給配管８３，８４は、ポンプ８５、８６の下流において統合された後、垂直に立上り、容器７０の下部中央に連結入されている。この混合材供給配管８３，８４は、容器７０の底部略中央位置に向って下方から垂直配置で導入された後、先端部分が反射板１４の中央位置の小孔７４を貫通し、液体材料である燃料等を、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間であるキャビテーション発生部１５に下方から垂直上向きに供給するようになっている。すなわち、液体材料である燃料等は、容器７０の底部略中央位置に向って垂直上方に導入され、反射板１４の中央位置の小孔７４を介し、振動板１３と反射板１４との間のキャビテーション発生部１５に供給される。
なお、本実施形態における振動板１３および反射板１４の材質、振動板１３および反射板１４間の間隙寸法等、高周波振動発生装置２０、および他の部品構成等については、第１実施形態と略同様であるから、第６図の対応位置に、第１図と同一の符号を付して重複説明を省略する。
液体混合時においては、第１、第２のタンク８１，８２に収容された各混合材料が、それぞれポンプ８５，８６により圧送され、統合された後、容器７０の底部を介して反射板１４の小孔７４に供給され、この小孔７４からキャビテーション発生部１５に噴出される。混合材料としての燃料等は、振動板１３の振動作用によって生じるキャビテーション発生部１５での高衝撃波により、微細なエマルジョンとなる。本実施形態においては、振動板１３と容器底部の反射板１４との距離が小さいため、振動板１３と反射板１４との隙間に側方から原料を供給する場合に比して、キャビテーション発生部１５の衝撃波を多く受け易くなり、より微細なエマルジョン化が可能になる。
したがって、本実施形態によれば、第１のタンク８１から供給される重油、軽油、廃油または廃食油と、第２のタンク８２から供給される油、アルコールまたはアルコール以外の溶剤等の混合燃料としてのより微細なエマルジョンを生成することができる。
なお、上記の燃料組合せのほか、重油とガソリンとを混合し、内燃機関またはガスタービン用燃焼器に適用する混合燃料を生成することも可能である。
［第３実施形態（第９図）］
本発明の第３実施形態では、３種以上の液体同士を混合材料とする場合に対応する液体混合装置および液体混合方法について説明する。第９図は、本実施形態による液体混合装置を示す構成図である。なお、本実施形態の構成は、液体の混合材料の供給系統以外については第２実施形態と同一であるから、同一構成部分については第９図の対応部分に第６図と同一符号を付し、重複説明は省略する。
第９図に示すように、本実施形態においては、例えば３種類の液体の供給源として、第１のタンク８１、第２のタンク８２および第３のタンク９１が配置されている。
第１のタンク８１には、燃料となる油、例えば重油、軽油、廃油（例えばエンジンオイル）または廃食油が収容されている。
また、第２のタンク８２には、例えば第１のタンク８１に収容された油以外の油（第１のタンク８１に重油が収容されている場合における軽油、廃油、廃食油）、アルコールまたはアルコール以外の溶剤（例えばシンナー等の芳香族系の溶剤）、または水が収容されている。
さらに、第３のタンク９１には、乳化剤として、液体石鹸等の界面活性剤が収容されている。
これらのタンク８１，８２，９１には、３系統の混合材供給配管８３，８４，９０が接続されるとともに、各混合材供給配管８３，８４，９０には、それぞれポンプ８５，８６，９２が設けられている。各混合材供給配管８３，８４，９０は、ポンプ８５，８６，９２の下流において統合された後、垂直に立上り、容器７０の下部中央に連結されている。この混合材供給配管は、容器７０の底部略中央位置に向って下方から垂直配置で導入された後、先端部分が反射板１４の中央位置を貫通し、液体材料である燃料等を、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間であるキャビテーション発生部１５に下方から垂直上向きに供給するようになっている。
そして、液体混合時においては第２実施形態と同様に、第１、第２、第３のタンク８１，８２，９１に収容された各混合材料が、それぞれポンプ８５，８６，９２により圧送され、統合された後、容器７０の底部を介して反射板１４の小孔７４に供給され、この小孔７４からキャビテーション発生部１５に噴出される。混合材料としての燃料等は、振動板１３の振動作用によって生じるキャビテーション発生部１５での高衝撃波により、微細なエマルジョンとなる。本実施形態においては、振動板１３と容器底部の反射板１４との距離が小さいため、振動板１３と反射板１４との隙間に側方から原料を供給する場合に比して、キャビテーション発生部の衝撃波を多く受け易くなり、より微細なエマルジョン化が可能になる。
なお、上記の例では３種の液体を原料として使用する場合について説明したが、４種以上の液体を原料として使用する場合についても、タンクおよび配管数を増加することにより、容易に対応することができる。
本実施形態によれば、３種以上の液体を小孔７４に供給することにより、比重の異なる原料からなる各液体に対しても、キャビテーションの衝撃波の効果が有効に得られ、より広範囲の混合材料からなる混合燃料として、微細なエマルジョンを生成することができる。
［第４実施形態（第１０図）］
本発明の第４実施形態では、粘度の高い液体を混合材料とする場合に対応する液体混合装置および液体混合方法について説明する。第１０図は、本実施形態による液体混合装置を示す構成図である。なお、本実施形態の構成は、液体の混合材料の供給系統以外については第２実施形態と同一であるから、同一構成部分については第１０図の対応部分に第６図と同一符号を付し、重複説明は省略する。
第１０図に示すように、本実施形態においては、例えば２種類の液体の供給源として、第１のタンク８１および第２のタンク８２が配置されている。
第１のタンク８１には、第２実施形態と同様に、燃料となる油、例えば重油、軽油、廃油（例えばエンジンオイル）または廃食油が収容されている。
また、第２のタンク８２には、粘度の高いグリス、アルコールまたはアルコール以外の溶剤（例えばシンナー等の芳香族系の溶剤）が収容されている。そして、この第２のタンク８２には、電源９３に接続されたヒータ９４が設けられ、グリスのように粘度の高い液体を適用する場合には、これを加温することができるようになっている。
すなわち、一般に粘度の高い液体は、加温すると粘度が小さくなり、流れ易くなる。粘度が高過ぎると、振動板１３を高周波で振動させてもキャビテーションが発生し難い。そこで、本実施形態では、ヒータ９４を適用して粘度が小さくなるようにし、これにより、流動性の高い液体として、キャビテーション発生部に供給するようになっている。
なお、本実施形態においても、各タンク８１，８２には、混合材供給配管が接続されるとともに、各混合材供給配管には、それぞれポンプ８５，８６が設けられている。各混合材供給配管８３，８４は、ポンプ８５，８６の下流において統合された後、垂直に立上り、容器７０の下部中央に連結入されている。この混合材供給配管８３，８４は、容器７０の底部略中央位置に向って下方から垂直配置で導入された後、先端部分が反射板１４の中央位置を貫通し、液体材料である燃料等を、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間であるキャビテーション発生部１５に下方から垂直上向きに供給するようになっている。
そして、液体混合時においては第２実施形態と同様に、第１、第２のタンク８１，８２に収容された各混合材料が、それぞれポンプ８５，８６により圧送される。この場合、第２タンク８２に粘度の高い液体が収容されている場合には、ヒータ９４をオンとして粘度が小さくなるようにし、これにより、流動性の高い液体として、キャビテーション発生部１５に供給し、キャビテーションの気泡が容易に発生させることができる。
［第５実施形態（第１１図）］
本発明の第５実施形態では、液体と気体とを混合材料とし、きめ細かいクリーム状の液体混合物を生成する場合に対応する液体混合装置および液体混合方法について説明する。第１１図は、本実施形態による液体混合装置を示す構成図である。なお、本実施形態の構成は、液体の混合材料の供給系統以外については第２実施形態と同一であるから、同一構成部分については第１１図の対応部分に第６図と同一符号を付し、重複説明は省略する。
第１１図に示すように、本実施形態においては、例えば２種類の液体の供給源として、第１のタンク８１および第２のタンク８２が配置されるとともに、大気を導入する空気供給配管９５が設けられている。
第１のタンク８１には、例えば食用油、化粧用油脂、または薬用油脂等の液体が収容されている。また、第２のタンク８２には、調味量その他の各種添加剤、または香料等としての液体が収容されている。これら各タンク８１，８２には、混合材供給配管８３，８４が接続されるとともに、各混合材供給配管８３，８４には、それぞれポンプ８５，８６が設けられ、また空気供給配管９８には、空気浄化用フィルタ（雑菌等を除去する殺菌手段を有する）９７と、エアポンプ９６とが設けられ、清浄な空気が供給できるようになっている。
そして、各混合材供給配管８３，８４に空気供給配管９８が接続されて統合されて、第２実施形態と同様に、垂直に立上り、容器７０の下部中央に連結入されている。この混合材供給配管は、容器７０の底部略中央位置に向って下方から垂直配置で導入された後、先端部分が反射板１４の中央位置を貫通し、液体材料である燃料等を、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間であるキャビテーション発生部１５に下方から垂直上向きに供給するようになっている。
液体混合時においては、第１、第２のタンク８１，８２に収容された液体の各混合材料にエアフィルタ９７で清浄化された空気が混入し、これにより空気と混合した材料が圧送される。
この場合、第１のタンク８１から圧送される食用油または油脂などの原料液と、第２のタンク８２から圧送される各種添加剤または香料等に加え、エアフィルタ９７にてゴミや雑菌等を除去した清浄な空気が、ポンプ９６によって液体混合用の容器７０内に底部から供給され、キャビテーション発生部１５におけるキャビテーション泡の衝撃波により、各液体の原料と空気とが混合攪拌される。
この際、上述した各実施形態と同様に、振動板１３と容器底部の反射板１４との距離が小さいため、振動板１３と反射板１４との隙間に側方から原料を供給する場合に比して、キャビテーション発生部１５の衝撃波を多く受けて超微細な空気の粒を多量に含んだクリーム状の材料を生成することができ、例えばクリーム状の食品、化粧品もしくは薬品等における味覚、触覚等の性能を向上することができる。
具体的には、食用油、食用酢、動物性または植物性蛋白質の混合攪拌によるマヨネーズ、油と空気の混合攪拌によるクリーム製造、食用粉末と多糖類溶液等の製造に効果的である。
［第６実施形態（第１２図）］
本発明の第６実施形態では、液体と粉体とを混合材料とする液体混合物を生成する場合に対応する液体混合装置および液体混合方法について説明する。すなわち、本実施形態では、例えば液体と粉体とを混合材料として例えばセラミックス成型用プリフォーム等の液体原料である緻密な工業用原料液を作成する場合において、液体にセラミックス微粉末等、またはこれらに添加剤を加える技術について説明する。第１２図は、本実施形態による液体混合装置を示す構成図である。なお、本実施形態の構成は、液体の混合材料の供給系統以外については第２実施形態と同一であるから、同一構成部分については第１２図の対応部分に第６図と同一符号を付し、重複説明は省略する。
第１２図に示すように、本実施形態においては、セラミックス等の粉末の供給源として、第１のタンク８１が設けられるとともに、各種添加剤等の粉体および液体原料を収容する第２のタンク８２が配置されている。各タンクには、混合材料供給配管８３，８４が接続されるとともに、各混合材供給配管８３，８４には、それぞれポンプ８５，８６が設けられ、互いに統合されている。統合した配管部には、例えばスクリュー式の攪拌羽根を有する一次予混合槽１０１が設けられ、その下流側にはスラリーポンプ１０２が設けられている。
また、本実施形態では水その他の液体を供給する液体供給配管１０３が設けられ、この液体供給配管１０３には、フィルタ１０４およびポンプ１０５が設けられている。この液体供給配管１０３はポンプ１０５の下流側にて２系統に分岐され、一方の系統配管１０３ａは一次予混合槽１０１の上流側に連結され、別の系統配管１０３ｂはスラリーポンプ１０２の下流側に連結されている。
全てが統合された配管は、第２実施形態と同様に、垂直に立上り、容器７０の下部中央に連結入されている。混合材供給配管は、容器７０の底部略中央位置に向って下方から垂直配置で導入された後、先端部分が反射板１４の中央位置を貫通し、液体材料である燃料等を、振動板１３と反射板１４との狭隘な空間であるキャビテーション発生部１５に下方から垂直上向きに供給するようになっている。
液体混合時においては、第１のタンク８１に収容されたセラミックス等の粉体原料と、第２のタンク８２に収容された各種添加剤等の粉体とが、混合材供給配管８３，８４に供給されるとともに、これに加えて、液体供給配管１０３から一次予混合槽１０１の上流側またはスラリーポンプ１０２の下流側に、清浄にした水等の液体が供給される。
例えば第１のタンク８１および第２のタンク８２の粉体、液体材料等とともに、液体供給配管１０３ａからフィルタ１０４で清浄にした水等を一次予混合槽１０１に供給して攪拌し、次に、この予混合槽１０１にて混合されたスラリー状の物質をスラリーポンプ１０２を用いて容器７０のキャビテーション発生部１５に小孔７４を介して供給する。この場合、スラリーポンプ１０２における粘度が高いような場合に、途中で水等を液体供給配管１０３からスラリーポンプ１０２の下流側に供給するものである。これにより粉体原料の液体との混合による粘性が適宜に調整される。
そして、キャビテーション発生部１５におけるキャビテーション泡の衝撃波が発生すると、スラリー状物質の各材料が均質に液体中に短時間で分散・攪拌される。
したがって、本実施形態によれば、工業用粉末材料としてのセラミックス生成用の予備混合体等を高品質のものとして製作することが可能となる。
なお、本実施形態においては、工業用の他、食用、化粧用もしくは薬用の液体原料とし、粉体を食用微粉末、化粧用微粉末もしくは薬用微粉末またはこれらに添加剤を加えたものとして、食品、化粧品、または薬品等を生成する場合にも適用することが可能である。
［第７実施形態（第１３図〜第１６図）］
本発明の第７実施形態では、さらに高い衝撃波を発生する超高衝撃波用の液体混合装置について説明する。第１３図は、本発明の第７実施形態の液体混合装置を示す構成図であり、第１４図は、第１３図の拡大断面図である。第１５図は、さらに振動体を拡大して示す断面図であり、第１６図は、変形例を示す断面図である。
本実施形態の液体混合装置は、振動板１３の端版１３ａおよび反射板１４の少なくともいずれか一方の対向面に、円錐状の多数のピット１１０を設け、この各ピット１１０から発生する衝撃波を、振動板１３と反射板１４との間の空間の一点にそれぞれ焦点部１１１として収束させ、焦点部１１１の集合により振動板１３と反射板１４との間に超高衝撃波発生領域１１２を生成させる構成としたものである。
なお、本実施形態の液体混合装置の全体構成については、第１３図に示すように、例えば第２実施形態で示したものと略同一である。この同一構成部分については、第１３図の対応部分に第６図と同一符号を付し、重複説明は省略する。
本実施形態では、第１４図および第１５図に振動板１３の断面を拡大して示すように、この振動板１３の反射板１４側への対向面に、円錐状の多数のピット１１０が設けられている。これらのピット１１０の深さは例えば０．１〜１ｍｍであり、ピット間の間隔は例えば０．０〜３ｍｍである。そして、反射板１４から反射した衝撃波がこれらのピット１１０の内面側に当接すると、凹面反射によって反射板１４側に向う途中の位置で収束する。すなわち、振動板駆動時における超音波による衝撃波は、ピット１１０内の傾斜面によりキャビテーション発生部１５における略中央の領域に焦点として衝撃波を収束することになる。振動板１３が駆動した場合には、反射板１４との間の空間に、焦点部１１１の集合による超高衝撃波発生領域１１２が生成されるようになる。効果的なキャビテーション泡の直径は０．２〜０．８ｍｍである。
この場合、キャビテーション発生部１５に生じる超高衝撃波発生領域１１２では、キャビテーション発生部１５における他の領域に比して１０〜２０倍の強度をもつ衝撃波が発生する。すなわち、３０００〜数万気圧の高圧場を発生させることが可能である。
なお、第１６図は、反射板１４側にも、円錐状の多数のピット１１０を形成した場合を示している。このような構成の場合には、反射板１４側から放出された衝撃波だけでなく、振動板１３側から放出される衝撃波も加わり、さらに一層の液体混合物の超微粒化を図ることが可能となる。
［第８実施形態（第１７図）］
本発明の第８実施形態では、前述した第１実施形態のエマルジョン燃料生成装置１をディーゼルエンジンに適用した場合について説明する。第１７図は、本実施形態によるディーゼルエンジンを示す構成図であり、第１実施形態と同一構成部分については図１と同一符号を付している。なお、第１実施形態と同一構成部分についての重複説明は省略する。
第１７図に示すように、このディーゼルエンジン３０は、燃料系統に、キャビテーション処理前の燃料２を収容する燃料タンク３１と、同処理前の清水４を収容する水タンク３２とを備えている。これらの燃料タンク３１および水タンク３２に、それぞれ燃料供給管３および水供給管５の基端側が接続されている。そして、これらの燃料供給管３および水供給管５の先端側が、燃料ポンプ６および清水供給ポンプ８を介して、エマルジョン燃料生成タンク１０に接続され、燃料２および清水４を連続的に供給するようになっている。
このような構成のディーゼルエンジン３０において、エマルジョン燃料生成タンク１０の構成は、第１実施形態で示した燃料装置１のものと略同様の構成であり、振動板１３および反射板１４が設けられ、キャビテーション発生部１５が形成されている。振動板１３は高周波振動発生装置２０によって高周波振動され、このエマルジョン燃料生成タンク１０において、第１実施形態で示したキャビテーション処理が行なわれる。そして、このエマルジョン燃料生成タンク１０の排液管である２次側のエマルジョン燃料供給管３３に、キャビテーション処理によって生成されたエマルジョン燃料１２が排出・供給される。
エマルジョン燃料供給配管３３には、吸込みポンプ３４および流量調整弁３５を介してエマルジョン燃料噴射ポンプ３６が接続されている。エマルジョン燃料噴射ポンプ３６には、例えば２本の燃料噴射用配管３７ａ，３７ｂを介してディーゼルエンジン本体３８の２気筒型シリンダ３９ａ，３９ｂが連結されている。なお、符号４０は、エンジン回転軸を示している。
このような構成において、エンジン運転時には、エマルジョン燃料生成タンク１０に供給された燃料２および清水４は、キャビテーション発生部１５にて均質に撹絆・混合され、エマルジョン燃料１２として生成される。生成されたエマルジョン燃料１２は、吸込みポンプ３４によって吸引され、エマルジョン燃料噴射ポンプ３６へと移送される。
エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給されるエマルジョン燃料１２は、ディーゼルエンジン３０の負荷状況に応じて、エマルジョン燃料供給管３３に設けられた流量調整弁３５によって流量制御され、エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給される。エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給されたエマルジョン燃料１２は、エマルジョン燃料供給管３７ａ，３７ｂにてディーゼルエンジン本体３８のシリンダ３９ａ，３９ｂに供給され、これらのシリンダ３９ａ，３９ｂ内で燃焼して仕事に供される。燃焼後の排気ガスは、図示しない排気口から外部に排気される。
この場合、シリンダ３９ａ，３９ｂ内にてエマルジョン燃料１２が爆発・燃焼する際には、燃焼温度が低く抑えられるとともに、燃料中の水分が水蒸気となり、水蒸気の一部分離して小爆発の現象を起こし、爆発力で燃料をはじき散らすことにより空気との混合を助ける。そして、燃焼反応が助長されることにより、シリンダ３９ａ，３９ｂ内での未燃焼部分がほとんどなくなる。このため、未燃焼によって生成される未燃焼生成物、いわゆる黒煙の煤塵の発生を大きく低減することができるとともに、排気ガス中に含まれる有害な化学物質の生成を大幅に抑制することができ、大気に放出される排気ガス中のＮＯｘや煤塵などをより効果的に低減することができる。
また、本実施形態によれば、エマルジョン燃料として、燃料２に清水４を加えて使用するため、燃料消費量が少なくてすむ利点も得られる。
なお、本実施形態では２気筒ディーゼルエンジンを例に説明したが、単気筒エンジンあるいは３気筒以上の多気筒エンジンに対しても、同様に適用できることは勿論である。
［第９実施形態（第１８図）］
本発明の第９実施形態では、ディーゼルエンジン３０に発電機を取り付けた構成について説明する。第１８図は、本実施形態によるディーゼルエンジンを示す構成図であり、第１実施形態と同一構成部分については第１図と同一符号を付している。なお、第１実施形態と同一構成部分についての重複説明は省略する。
第１８図に示すように、ディーゼルエンジン３０の回転軸４０にフランジ４１を介して発電機４２の回転軸４３が連結されている。発電機４２には、送電用ケーブル４４を介して電力変換器４５が接続され、この電力変換器４５により発生電力が常用電圧（１００ｖ）に変換され、出力端子４６等に出力される。
また、電力変換器４５には電源ケーブル４７を介して高周波電源装置２４が接続され、発電機４２で発電した電力の一部を、高周波振動発生装置２０の振動用電源として適用できるようになっている。
さらに、本実施形態では、燃料２および清水４の供給量を制御するための燃料流量調整弁７および水流量調整弁９とが自動弁として構成されている。これらの燃料流量調整弁７、水流量調整弁９および高周波電源装置２４は、コントローラ４８にそれぞれ信号線４９ａ，４９ｂ，４９ｃを介して接続され、このコントローラ４８によって制御可能とされている。そして、これらのコントローラ４８、燃料流量調整弁７および水流量調整弁９は、電力変換器４５に別の電源ケーブル５０，５１によって接続され、電力変換器４５からの電流を駆動用電源として作動するようになっている。
このような構成の本実施形態によれば、第８実施形態と同様の効果に加え、エンジンによる発生電力の一部を、エマルジョン燃料生成のための制御用電力および操作用電力として使用することができるため、外部からの電力供給を必要とすることなく、エンジン運転を行うことが可能となるという経済的および構成簡素化等の面での利点、および車両・船舶等の移動手段として適用する場合に移動体自体での電力自給が可能となる利点が得られる等の効果が奏される。
［第１０実施形態（第１９図）］
本発明の第１０実施形態では、燃料装置の変形例として、一つのエマルジョン燃料生成タンクに複数のキャビテーション発生部を設けた構成について説明する。すなわち、この燃料装置では、高周波で振動する振動子自体を振動体として適用し、振動体を複数段設けるとともに、その各振動体に燃料および清水の混合液の流路を交互に設け、１回の処理において複数回のキャビテーション処理を施す構成としたものである。第１９図は、本実施形態による燃料装置の構成を示す断面図である。
この第１９図に示すように、本実施形態では、エマルジョン燃料生成タンク１０が所定軸長の筒状空間を有する構成とされており、例えば軸心が縦方向に配置され、これによりエマルジョン燃料生成タンク１０内に縦長な流路５７が形成されている。エマルジョン燃料生成タンク１０の上端部には流路５７に通じる燃料入口５８ａおよび水入口５８ｂが設けられ、下端部にはエマルジョン燃料出口５９が設けられている。そして、燃料供給ポンプ６から供給される燃料２および水供給ポンプ９から供給される清水４が燃料入口５８ａおよび水入口５８ｂから導入された後、エマルジョン燃料生成タンク１０内を流動してエマルジョン燃料出口５９から排液管１７を介して連続的に排出され、流量調整弁６０を経て、燃焼器（例えばディーゼルエンジン３０）に供給されるようになっている。
エマルジョン燃料生成タンク１０の中心位置には縦長な柱状のガイドロッド６１がエマルジョン燃料生成タンク１０の上下端に亘って挿入され、このガイドロッド６１は例えばその上端に設けたフランジ６２をボルト６３等によって締結することによりエマルジョン燃料生成タンク１０に固定されている。ガイドロッド６１の外周部には複数の短筒状の弾性支持体６４が略等間隔で嵌合されており、これらの弾性支持体６４間に位置して、ガイドロッド６１に磁歪材料からなる複数のディスク状の振動子６５が所定間隔で段状に嵌合されている。そして、これらの振動子６５が、ガイドロッド６１の軸方向、すなわち燃料の流動方向である上下方向に沿い、弾性支持体６４にそれぞれ上下方向から支持された状態で上下動可能とされている。なお、各振動子６５の外周縁と流路５７を形成するエマルジョン燃料生成タンク１０の内周面との間には、これらの接触防止のため僅かな幅の間隙ｄが設けられている。
各振動子６５には、燃料２と清水４との混合液１１を上下方向に通過し得る通液用の孔、例えば小径孔６６が振動子６５の中心側と外周側とに交互に位置を異ならせて、すなわち上下に隣接する振動子６５同士に対して内外周に異なる配置で穿設されている。そして、エマルジョン燃料生成タンク１０内には、各振動子６５の周囲に位置して、高周波電流用のコイル６７が設けられている。これらのコイル６７に、高周波電源装置２４から電源ケーブル２５を介して振動用電流が供給され、発生する高周波の磁場によって各振動子６５に上下方向の振動が発生するようになっている。なお、高周波電源装置２４では、前記各実施形態と同様に、商用電源、車両用バッテリまたは自給用発電機等からの電力供給により高周波電流を発生する。
このような構成の本実施形態においては、高周波電源装置２４から高周波電流が各コイル６７に供給され、高周波電流が各コイル６７にて高周波の磁力を発生させる。これらの発生磁場により、その内側に配置されている各振動子６５が軸方向に収縮と伸長とを繰返し、その収縮と伸長とが振動子６５の表面であるキャビテーション発生部に伝達され、キャビテーション発生部が高周波で振動を発生する。
この作用により、小径孔６６を介して交互に蛇行状態で上方から下方に向って流れる混合液１１中に、各振動子６５間においてキャビテーション泡２９が連続的に形成・崩壊を繰返すことにより衝撃波が連続して発生し、その結果、混合液１１に高圧が発生する。よって、本実施形態においては、混合液１１が連続的に流動する間に、小径孔６６を順次通過するに従ってより均一なエマルジョン燃料１２が生成されていく。そして、混合液１１における燃料２の高分子鎖が分断されるとともに、清水４の水滴が微細化され、燃焼時に煤塵などが生じ易い高分子成分の組成量が減少した状態でディーゼルエンジン３０等の燃焼器に供給される。すなわち、均一かつ微細に混合・撹絆されたエマルジョン燃料１２が外部に取り出される。これにより、燃焼器用の燃料として使用した場合に、煤塵などの発生を抑制することができ、排気ガスを浄化したと同等の機能が得られる。
本実施形態によれば、前記各実施形態と同様の効果に加えて、複数の振動子６５の間に連続的に混合液１１を通過させることにより、キャビテーション泡２９の形成・崩壊を繰り返すので、単位体積当りの処理時間を長くすることが可能となる。したがって、燃料２および清水４の供給量を制御することにより、安定した改質処理が効率よく行える。
なお、本実施形態ではエマルジョン燃料生成タンク１０の軸心、すなわち燃料２および清水４の混合液１１の流動方向を上下方向とした場合について説明したが、この方向は横・斜め方向等、任意の方向に設定することができる。
［第１１実施形態（第２０図）］
本発明の第１１実施形態では、前述した第１〜第７実施形態の液体混合装置を多数組合せた構成について説明する。第２０図は、本実施形態による液体混合装置を示す構成図である。
第２０図に示すように、本実施形態では、同一の容器７０内に、複数の振動板１３と複数の反射板１４とを並列的に配置し、各振動板１３を同時に超音波領域で高周波振動させる構成とされている。これにより、キャビテーション発生領域を広範囲に亘って形成することができる。
したがって、例えば容器７０を大型とし、その多くの範囲にキャビテーション発生領域を形成することにより、多量の混合材料を同時に微粒化することが可能となる。
また、容器７０を例えば管状としてその軸方向に振動板１３および反射板１４を配列し、その容器７０内の軸方向に沿って混合材料を流動させる構成とすれば、連続的に衝撃波エネルギを与え、超微粒の効果を次第に高める装置として適用することができる。
【産業上の利用可能性】  以上で説明したように、本発明に係る液体混合装置および液体混合方法によれば、キャビテーション効果を極めて効果的に発生させ、これをより有効に利用することができ、特にエマルジョン燃料、工業用液体材料、食品、化粧品もしくは薬品等の液体混合物を、短時間で能率よく超微粒化することができ、超高混合密度化、高品質化を図ることができるとともに、長期間保存しても液体材料の分離が殆ど生じることがない液体混合物を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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