(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
含気燃料を製造する方法であって、
０．０２５mmから１０．０mmのせん断隙間によって離間された複数の歯付きのロータ−固定子のセットを有する高せん断装置を提供する工程と、
気体及び液体燃料を前記高せん断装置に導入する工程と、
気体及び液体燃料のエマルジョンを形成する工程と、
を有し、前記複数の歯付きのロータ−固定子のセットは同軸状に配置されるとともに、それぞれ異なるせん断隙間によって軸方向に離間され、前記高せん断装置は少なくとも５ｍ／秒の先端速度を生じるよう形成され、前記気体は含気燃料を生成するために５μｍ未満の平均直径を有する気泡を含有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、エマルジョンを形成する工程は、前記高せん断装置内において１．５μｍ未満の平均直径を有する気泡を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記高せん断装置は２３ｍ／秒を超える先端速度を有するように形成されていることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記高せん断装置は１０００ＭＰａの局所圧を先端で生じるように形成されていることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記液体燃料及び気泡に２０，０００ｓ-1を超える速度のせん断を加える工程を更に有することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記高せん断装置は少なくとも１０００Ｗ／ｍ3のエネルギーを消費するよう形成されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記エマルジョンは液体燃料の爆発上限（ＵＥＬ）を超える液体燃料と気体との混合物を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記エマルジョンは含気燃料の微細な泡を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、気体及び液体燃料を導入する工程は液体燃料を加圧する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、液体燃料を加圧する工程は、少なくとも２０３ｋＰａ（２気圧）の圧力を加えることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
含気燃料を燃焼チャンバへと噴射する工程と、
含気燃料を燃焼して機械力を生じる工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、含気燃料を噴射する工程は、理論混合比になるよう酸化剤ガスを加える工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、含気燃料を噴射する工程は、化学量論的に過剰に前記エマルジョンを燃焼チャンバに導入する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、前記気体は、空気、水蒸気、メタノール、亜酸化窒素、プロパン、ニトロメタン、シュウ酸塩、有機硝酸塩、アセトン、灯油、トルエン、又はメチルシクロペンタジエニル・マンガン・トリカルボニルからなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
含気燃料を製造するための装置であって、
高せん断装置の上流に配置されたポンプと、
０．０２５mmから１０．０mmのせん断隙間によって離間された複数の歯付きのロータ−固定子のセットを有する高せん断装置と、
前記エマルジョンを燃焼するよう形成されたエンジンと、
を有し、前記ポンプは前記高せん断装置の入口と流体接続されており、前記複数の歯付きのロータ−固定子のセットは同軸状に配置されるとともに、それぞれ異なるせん断隙間によって軸方向に離間され、前記高せん断装置は燃料中気体のエマルジョンを生成し、前記エマルジョンは１．５μｍ未満である気泡の平均直径を有することを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、前記高せん断混合装置は２３ｍ／秒を超える先端速度を生じることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の装置であって、前記高せん断装置は少なくとも１０００ＭＰａの局所圧を先端で生じるよう形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の装置であって、前記高せん断装置は２０，０００ｓ-1を超えるせん断速度を生じるように形成されていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の装置であって、前記エマルジョンは、液体燃料の爆発上限（ＵＥＬ）を超える液体燃料と気体との混合物を含むことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の装置であって、前記気体は、空気、水蒸気、メタノール、亜酸化窒素、プロパン、ニトロメタン、シュウ酸塩、有機硝酸塩、アセトン、灯油、トルエン、又はメチルシクロペンタジエニル・マンガン・トリカルボニルからなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府に支援された研究又は開発に関する記述
適用されない。
【０００２】
本開示は一般に内燃機関に関する。より詳細には、本開示は内燃機関の稼動に関する。
【背景技術】
【０００３】
オイル及びオイル留分に関する揮発性物質の市場は、消費者の燃料コストに影響を与える。そのようなコストの増加は、灯油、ガソリン、及び軽油のコストの上昇によって明らかになる。需要及び価格が上昇するにつれて、消費者は彼らの内燃機関よりも改善された効率を求める。エンジンの効率は燃費に関連するため、一般にエンジンの効率は、燃料中の全化学エネルギーと、運動エネルギーの形で燃料から抽出される利用可能なエネルギーとの比較を含む。エンジンの効率において最も基本的な考えは、熱力学サイクルによって規定される燃料からエネルギーを抽出するための熱力学的な限界である。最も総合的で経済的に重要な考えは、エンジンの経験的な燃費、例えば自動車用途における１ガロンあたりのマイル数である。
【０００４】
自動車において見られるような内燃機関は、燃焼室で燃料と酸化剤が混合されて燃やされるエンジンである。一般に、これらのエンジンは４ストロークのエンジンである。４ストロークサイクルは、吸気、圧縮、燃焼、及び排気ストロークを有する。燃焼反応は、熱と膨張することができる加圧ガスとを生じる。産出されたガスの膨張がエンジンの機械部品に作用することによって利用可能な動力を生むことができる。産出されたガスは、圧縮された燃料／酸化剤の混合物よりも多くの利用可能なエネルギーを有する。利用可能なエネルギーが取り出されると、動力に変換されなかった熱は廃熱として冷却システムによって除去される。
【０００５】
燃焼しなかった燃料は排気ストロークの間にエンジンから放出される。ほぼ完全な燃焼を実現するために、酸化剤に対する燃料の理論混合比に近い状態でエンジンを稼動する必要がある。これは燃焼しない燃料の量を低減するものの、ある種の規制された汚染物質の排出を増加させる。これらの汚染物質は、燃焼室への導入の前における燃料と酸化剤との不十分な混合にも関係する。また、理論混合比近くでの稼動は異常燃焼の危険性を増加させる。異常燃焼は、燃焼ストロークの終了前にエンジン内で燃料が自然発火する危険な状態である。異常燃焼は壊滅的なエンジンの故障を引き起こす場合がある。これらの状態を回避するために、エンジンは過剰な燃料を用いて稼動される。
【０００６】
したがって、産業界には内燃機関への噴射前に燃料と酸化剤とを混合する改良された方法に対する需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３１５６１７号公報
【発明の概要】
【０００８】
含気燃料生産のための高せん断システム及び方法が開示されている。エマルジョンを形成する方法は、少なくとも５ｍ／秒の先端速度を生じるよう構成された少なくとも一つのロータ／固定子のセットを備える高せん断装置を提供すること、前記高せん断装置に気体と液体燃料とを導入すること、及び気体と液体燃料とのエマルジョンを形成することを含み、前記気体は約５μｍ未満の平均直径を有する気泡を含む。
【０００９】
本開示中に記載されているある実施形態においては、方法は高せん断機械装置を利用することによって、改善された時間、温度及び圧力の条件を提供し、結果的に改善された多相の化合物の分散をもたらすことができる。
【００１０】
これら及びその他の実施形態、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかになる。
【００１１】
本発明の好適な実施形態のより詳細な説明のために、添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本開示中のある実施形態における高せん断燃料システムの概略図である。
【図２】図２は含気燃料の生産のための高せん断装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
概要
本開示は、含気燃料を製造するための、液体燃料と酸化剤ガスとを高せん断装置を用いて混合することを含む装置及び方法を提供する。その装置及び方法は、高せん断機械装置を用いることによって、内燃機関への導入前に、反応装置／混合装置内の管理された環境において反応物の迅速な接触及び混合をもたらすことができる。高せん断装置は、液体燃料中に完全に酸化剤ガスを分散させることによって、燃焼を改善することができる。場合によっては、その装置は可搬型に形成される。
【００１４】
液体、気体及び固体を含む化学反応及び混合は、反応速度及び混合の完全性を決める時間、温度及び圧力を含む反応速度論の法則に基づいている。二つ以上の異なる相、例えば固体と液体、液体と気体、固体と液体と気体の原材料をエマルジョン中に組み合わせることが望まれる場合、反応速度及び混合の完全性を決める律速因子の一つは反応物の接触時間である。特殊な理論に限定されないが、エマルジョン化学の分野において、液体中に分散されたサブミクロンサイズの粒子、球、又は気泡は主に拡散物中のブラウン運動効果によって移動することが周知である。
【００１５】
燃焼前に酸化剤と燃料とを混合することは、爆発の更なる危険を招く。空気中での爆発限界は、室温における体積パーセントによって測定される。爆発上限、これ以降ではＵＥＬという、のパラメータは、この濃度を超えると燃料が発火するのに十分な酸化剤が存在しないためにこの濃度を超えると物質が燃焼又は爆発しない気体又は蒸気の最大濃度を指す。爆発下限、これ以降ではＬＥＬという、のパラメータは、この閾値未満では発火するのに十分な燃料が無いためにこれ未満では物質が燃焼又は爆発しない空気中の気体又は蒸気の最小濃度を指す。これらの限界値の間における燃料と酸化剤との混合は爆発の危険性を増加させる。燃焼又は爆発を起こすために、適切な比率で組み合わせられる三つの要素、すなわち燃料、酸化剤及び点火源がある。場合によっては、点火源は火花、炎、高圧、又は限定されないその他の源であってもよい。酸化剤／燃料の混合、条件、及び容器の規制は、爆発の危険性を軽減することができる手段である。
【００１６】
ガソリンの場合、ＬＥＬは約１．４体積％であり、ＵＥＬは約７．６体積％である。軽油を用いる場合、ガソリンと比べて爆発の危険性は軽減される。これは、軽油の高い引火点によるものであり、このことは軽油が容易に蒸発して可燃性のエアロゾルを生じることを防止する。軽油燃料のＬＥＬは約３．５体積％であり、ＵＥＬは約６．９体積％である。ガソリン又は軽油などの燃料混合物をＬＥＬ未満又はＵＥＬを超えるように維持することは、爆発の危険性を軽減するために重要である。
【００１７】
高せん断燃料システム
図１に図示されるように、高せん断燃料システム（ＨＳＦＳ）１００は、容器５０、ポンプ５、高せん断装置４０、及びエンジン１０を有する。ＨＳＦＳ１００は車両３０に設置される。車両３０は、車、トラック、トラクター、電車、又は限定されないその他の輸送車両であってもよい。または、車両３０は可動型、携帯型又は可搬型のエンジン、例えば発電機を有しても良い。車両３０はエンジン１０によって駆動又は電力供給される。エンジン１０は内燃機関を有する。ある実施形態においては、エンジン１０は軽油又はガソリンエンジンである。または、エンジン１０は、限定されること無く、酸化剤を伴う燃料の燃焼によって稼動するあらゆるエンジン、例えば灯油の又はプロパンのエンジンであっても良い。
【００１８】
燃料は容器５０に貯蔵される。容器５０は液体燃料を貯蔵、輸送及び消費するように形成されている。容器５０は少なくとも二つの開口、入口５１及び出口５２を備える。容器５０は、入口５１を介して給油するために、車両３０の外部からアクセス可能である。容器５０は少なくとも出口５２を介してエンジン１０と流体連通している。ある場合には、容器５０は燃料タンク又は燃料電池を有する。ある場合には、容器５０は加圧されていても良い。または、容器５０は気体燃料を貯蔵するように形成されていても良い。
【００１９】
出口５２はポンプ５に向かう燃料経路２０に連結されている。ポンプ５は燃料を容器５０からエンジン１０へと移動させるように形成されている。ある実施形態においては、ポンプ５は容器５０及びエンジン１０と流体連通している。ポンプ５は、加圧燃料経路１２を形成するために、燃料経路２０を加圧するように形成されている。ポンプ５は加圧燃料経路１２と流体連通している。さらに、ポンプ５はＨＳＦＳ１００を加圧し、そこを流れる燃料流量を調整するように形成されていてもよい。ポンプ５は当業者に周知の燃焼エンジンに燃料を輸送するように形成されていてもよい。または、ポンプ５はいかなる好適なポンプ、例えば、Roper  Pump  Company（ジョージア州、コマース）のRoper  Type  1  gear  pump、又はDayton  Electric  Co（イリノイ州、ナイルズ）のDayton  Pressure  booster  Pump  Model  2P372Eであっても良い。ある実施例においては、ポンプ５は燃料による腐食に耐性である。または、ポンプ５の全ての接触部品はステンレス鋼を含んでいる。
【００２０】
ポンプ５は燃料経路２０中の燃料の圧力をおよそ大気圧、１０１ｋＰａ（１ａｔｍ）より高く上昇させ、好ましくは、ポンプ５は圧力を２０３ｋＰａ（２ａｔｍ）に、又は約３０４ｋＰａ（３ａｔｍ）以上に上昇させる。ポンプ５は圧力を生じ、加圧燃料経路１２を介して高せん断装置４０に燃料供給する。
【００２１】
加圧燃料経路１２はポンプ５から流出させる。加圧燃料経路１２は更に酸化剤供給装置２２を備える。酸化剤供給装置２２は加圧燃料経路１２に酸化剤を注入するように形成されている。酸化剤供給装置２２は、加圧燃料経路１２内に酸化剤を注入するためのコンプレッサ又はポンプを有する。酸化剤供給装置２２は空気を含む。酸化剤供給装置２２は、燃料又は排出物の制御のための燃料添加剤又は代替の反応物を有しても良い。さらに、酸化剤供給装置２２は、加圧燃料経路１２に導入するために燃料添加剤を蒸発させる手段を有しても良い。例えば、酸化剤供給装置２２は、燃焼、排出物、及び限定されない他のエンジン１０稼動パラメータの効率を改善するために、水、メタノール、エタノール、酸素、亜酸化窒素、又は当業者に周知な他の化合物を有しても良い。加圧燃料経路１２は、燃料及び酸化剤をＨＳＤ４０に輸送するように形成されている。加圧燃料経路１２はＨＳＤ４０と流体連通している。酸化剤供給装置２２は加圧燃料経路１２を介してＨＳＤ４０に流体連通している。または、酸化剤供給装置２２はＨＳＤ４０と直接流体連通している。
【００２２】
ＨＳＤ４０は酸化剤供給装置２２と加圧燃料経路１２内の燃料とを完全に混合するよう形成されている。以下において詳細に説明するように、高せん断装置４０は、例えば固定子とロータとの間に固定された隙間を有する固定子−ロータ式の混合ヘッドを利用する機械装置である。ＨＳＤ４０において、酸化剤ガスのマイクロバブル及びナノバブルを含むエマルジョンを形成するために、酸化剤ガスと燃料とは混合される。ある実施形態においては、得られた分散体はサブミクロンサイズの気泡を含む。ある実施形態においては、得られた分散体は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態においては、平均気泡サイズは約０．１μｍ未満から約１．５μｍ未満である。ある実施形態においては、平均気泡サイズは約４００ｎｍ未満、より好ましくは約１００ｎｍ未満である。
【００２３】
ＨＳＤ４０は燃料噴射経路１９内に酸化剤ガスの気泡のエマルジョンを形成する役割を有する。エマルジョンはさらに微細な泡（micro-foam）であってもよい。ある場合には、エマルジョンは含気燃料、又は気体成分が充満した液体燃料であってもよい。特定の方法に限定されないが、エマルジョン化学の分野において、液体中に分散されたサブミクロンサイズの粒子は主にブラウン運動効果によって移動することが周知である。ある実施形態においては、高せん断混合は少なくとも約１５分にわたって大気圧で分散状態を維持できる気泡を生じる。ある場合には、気泡は、気泡のサイズに応じて非常に長い期間にわたって分散状態を維持することができる。ＨＳＤ４０は燃料噴射経路１９によってエンジン１０と流体連通している。燃料噴射経路１９は、燃焼するために燃料をエンジン１０に輸送するよう形成されている。
【００２４】
燃料噴射経路１９は、燃料及び酸化剤のエマルジョンをエンジン１０に輸送するよう形成されている。燃料噴射経路１９はＨＳＤ４０及びエンジン１０と流体連結されている。燃料噴射経路１９は燃料の爆発限界の外、すなわちＬＥＬ未満またはＵＥＬを超えるようにエマルジョンを維持する。燃料噴射経路１９は炎、火花、熱、電荷、又はその他の可能性のある発火源に対する絶縁体を有する。ある実施例においては、燃料噴射経路１９は、限定されること無く、車両の燃料噴射システムに関するあらゆる装置、例えば燃圧調整機、燃料レール、及び燃料噴射装置を有しても良い。
【００２５】
ＨＳＦＳ１００の上記説明において、ＨＳＦＳ１００の構成要素及び稼動は、搭載プロセッサ又はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７５によって監視及び制御される。ＥＣＵ７５は、車両に設置される装置を監視し、検出し、記憶し、変更し、制御するように形成されたプロセッサを有する。さらにＥＣＵ７５は、エンジン稼動のパラメータを変更するために、ＨＳＦＳ１００の稼動を調整又は変更するための手段として、センサ、ソレノイド、ポンプ、中継器、スイッチ、又は限定されない他の装置に電気的に接続されている。ＥＣＵ７５は、例えば燃料中における安全な酸化剤のエマルジョンを確保するために、ＨＳＤ４０の稼動を管理できるように形成されている。
【００２６】
例示的な実施形態においては、ＨＳＦＳ１００は軽油車両において稼動するように形成されている。ＨＳＦＳ１００はＵＥＬを超える値で軽油を曝気する。曝気は、例えば非常に小さな泡状の酸化剤ガスを燃料に添加する処理であるため、エンジン内に噴射されると、燃料はより完全に燃焼する。
【００２７】
ＨＳＦＳ１００において、軽油燃料は容器５０に貯蔵される。軽油はポンプ５によって容器５０から引き出される。ポンプ５が軽油を高せん断装置４０に送ると、燃料経路２０内の負圧が容器５０から燃料を引き出す。ポンプ５は液体軽油燃料を加圧する。
【００２８】
加圧燃料ライン１２はポンプ５から出ており、導入される酸化剤供給２２を有するため、加圧燃料経路１２は点火に必要な三つの要素のうちの二つである酸化剤と燃料との混合物を含む。この実施形態において、酸化剤は空気を含む。理論によって限定されることは無いが、加圧された液体は気化しにくい。そのため、軽油はＵＥＬすなわち爆発上限を超えた状態を維持する。酸化剤と加圧燃料はＨＳＤ４０において混合が施される。システムはＵＥＬを超える圧力下にあるため、自然発火又は爆発は回避される。さらに、酸化剤ガスはマイクロバブル及びナノバブルへと細かくされて燃料中に分散される。燃料中に分散したマイクロバブル及びナノバブルはエマルジョンを含む。燃料噴射経路１９は燃焼するためにエマルジョンをエンジン１０に送る。
【００２９】
エンジン１０において、エマルジョンは大気から得られた追加の空気と共に燃焼される。軽油が空気のエマルジョンを含むため、化学量論的量以上で軽油はエンジンに注入可能である。理論によって限定されることは望まないが、軽油はより完全に燃焼することができ、例えば窒素酸化物などの規制されている汚染物質の排出を低減することができる。さらに、軽油のエマルジョンはエンジン内における異常燃焼を起こしにくい。異常燃焼は、４ストロークサイクルにおける適切な時点の前にエンジン内で燃料が発火することである。そのため、軽油のエマルジョンは燃料をより完全に燃焼させることで、排出物、出力、及び効率を改善することができる。これらのパラメータを改善するための高せん断燃料システム１００は、高せん断装置４０を導入することによって実現可能である。
【００３０】
高せん断装置
高せん断混合装置及び高せん断ミルなどの高せん断装置４０は、それらの流体混合機能に応じて一般に複数のクラスに分類される。混合は流体内における不均一な種又は粒子のサイズを低下させる処理である。混合の程度又は完全性の一つの基準は、混合装置が流体を攪乱するために生じる単位体積あたりのエネルギー密度である。クラスは伝達されるエネルギー密度に応じて区別される。一貫して０から５０μｍの範囲の粒子又は気泡サイズを有する混合物又はエマルジョンを形成するために十分なエネルギー密度を有する工業用の混合装置の三つのクラスが存在する。
【００３１】
均一化バルブシステムは一般的に高エネルギー装置に分類される。処理される流体は非常に高い圧力によって狭い隙間のバルブを通って低圧環境へとポンプ輸送される。バルブを介する圧力勾配と得られる乱流及びキャビテーションとは流体中のあらゆる粒子を破砕するように作用する。これらのバルブシステムはミルクの均一化において最も一般的に用いられており、約０．０１μｍから約１μｍの範囲の平均粒子サイズを実現できる。領域の反対側は低エネルギー装置に分類される高せん断混合システムである。これらのシステムは、処理される流体の容器内において高速で回転するパドル又は流体ロータを通常有しており、より一般的な用途の多くは食料品である。これらのシステムは、処理流体において２０μｍ以上の平均粒子、球、気泡サイズが許容される場合に、通常は使用される。
【００３２】
流体に伝達される混合エネルギー密度に関して、低エネルギーの高せん断混合装置と均一化バルブシステムとの間が、中間エネルギー装置に分類されるコロイドミルである。一般的なコロイドミルの形態は、厳密に調整されたロータ−固定子の隙間だけ相補的な液冷固定子から離れた円錐形又は円盤形のロータを有しており、前記隙間は０．０２５ｍｍから１０．０ｍｍの範囲であっても良い。ロータは直接駆動又はベルト機構を介して電動モータによって駆動されることが好ましい。適切に調整された多くのコロイドミルは、処理された流体において約０．０１μｍから約２５μｍである粒子又は気泡の平均サイズを実現できる。これらの性能は、化粧品、マヨネーズ、シリコン／銀アマルガム及び屋根用タール混合物の調製などのコロイドと油／水ベースのエマルジョンとを含む様々な用途にコロイドミルを適合させる。
【００３３】
ここで図２を参照すると、高せん断装置２００の模式図が示されている。高せん断装置２００は少なくとも一つのロータ−固定子の組み合わせを有する。ロータ−固定子の組み合わせは、限定されること無く、生成機２２０，２３０，２４０又はステージとして知られている。高せん断装置２００は少なくとも二つの生成機を有しており、より好ましくは、高せん断装置は少なくとも三つの生成機を有する。
【００３４】
第１の生成機２２０はロータ２２２及び固定子２２７を有する。第２の生成機２３０はロータ２２３及び固定子２２８を有する。第３の生成機はロータ２２４及び固定子２２９を有する。各生成機２２０，２３０，２４０において、ロータはインプット２５０によって回転駆動される。生成機２２０，２３０，２４０は回転方向２６５に軸２６０の周りを回転するように形成されている。固定子２２７は高せん断装置の壁２５５に固定するように連結されている。例えば、ロータ２２２，２２３，２２４は円錐形又は円盤形であり、相補的な形状の固定子２２７，２２８，２２９から離間している。ある実施形態におけるロータ及び固定子の両者は、相補的な形状の先端を有する周方向に離間した複数のリングを有する。リングはロータ又は固定子を取り囲む一つの面又は先端を有している。ある実施形態において、ロータ及び固定子の両者は周方向に離間した二つより多くのリング、三つより多くのリング、又は四つより多くのリングを有する。例えばある実施形態においては、三つの生成機のそれぞれが三つの相補的なリングを有するロータ及び固定子を備えることによって、処理される材料はＨＳＤ２００を通過する際に９つのせん断隙間又はステージを通過する。または、生成機２２０，２３０，２４０のそれぞれは四つのリングを有することによって、処理される材料はＨＳＤ２００を通過する際に１２のせん断隙間又はステージを通過しても良い。それぞれの生成機２２０，２３０，２４０は必要な回転を提供するように形成された好適な駆動システムによって駆動される。
【００３５】
生成機はロータと固定子の間に隙間を有する。ある実施形態においては、固定子はそれぞれの生成機（ロータ／固定子のセット）のロータ及び固定子の間に所望されるせん断隙間を得るよう調整可能である。第１の生成機２２０は第１の隙間２２５を有し、第２の生成機２３０は第２の隙間２３５を有し、第３の生成機２４０は第３の隙間２４５を有する。隙間２２５，２３５，２４５は約０．０２５ｍｍ（０．０１インチ）から１０．０ｍｍ（０．４インチ）幅の間である。または当該処理は、隙間２２５，２３５，２４５が約０．５ｍｍ（０．０２インチ）から約２．５ｍｍ（０．１インチ）の間である高せん断装置２００の利用を含む。ある実施例においては、隙間は約１．５ｍｍ（０．０６インチ）に維持される。または、隙間２２５，２３５，２４５は生成機２２０，２３０，２４０間で異なっている。ある場合には、第１の生成機２２０の隙間２２５は第２の生成機２３０の隙間２３５より大きく、第２の生成機２３０の隙間２３５は第３の生成機２４０の隙間２４５より大きい。
【００３６】
さらに、隙間２２５，２３５，２４５の幅は、荒い、中間、細かい、非常に細かい特性を有しても良い。ロータ２２２，２２３，２２４及び固定子２２７，２２８，２２９は歯付き構造であっても良い。それぞれの生成機は周知のようにロータ−固定子の歯の二つ以上のセットを有しても良い。ロータ２２２，２２３，２２４はそれぞれのロータの外周の周囲に周方向に離間した多数のロータの歯を有しても良い。固定子２２７，２２８，２２９は、それぞれの固定子の外周の周囲に周方向に離間した多数の固定子の歯を有しても良い。別の実施形態においては、ロータ及び固定子は約６．０ｃｍのロータの外径と約６．４ｃｍの固定子の外径とを有する。ある実施形態においては、ロータの外径は約１１．８ｃｍから約３５ｃｍの間である。ある実施形態においては、固定子の外径は約１５．４ｃｍから約４０ｃｍの間である。または、ロータ及び固定子は、先端速度及びせん断圧力を変化させるために互い違いの径を有しても良い。ある実施形態においては、三つのステージのそれぞれが、約０．０２５ｍｍから約３ｍｍの間の隙間を有する非常に細かい生成機を用いて稼動される。
【００３７】
高せん断装置２００は供給ストリーム２０５を含む反応混合物が供給される。供給ストリーム２０５は分散相と連続相のエマルジョンを含む。エマルジョンとは、容易に混合せず且つ一緒に溶解しない二つの区別可能な物質（又は相）を含む液体混合物を指す。大半のエマルジョンは、他の相又は物質の連続していない液滴、気泡、及び／又は粒子をその中に保持する連続相（又はマトリクス）を有する。エマルジョンはスラリー又はペーストのように粘度が高くても良いし、液体中に分散された小さな気泡を有する泡であってもよい。本明細書中で用いられる場合、用語「エマルジョン」は、気泡を含む連続相、粒子（例えば固形触媒）を含む連続相、連続相に不溶性の流体の液滴又は球を含む連続相、及びそれらの組み合わせを包含する。
【００３８】
供給ストリーム２０５は粒状の固形触媒成分を含んでも良い。供給ストリーム２０５は、生成物分散体２１０が形成されるように、生成機２２０，２３０，２４０を通してポンプで輸送される。それぞれの生成機において、ロータ２２２，２２３，２２４は固定された固定子２２７，２２８，２２９に対して高速で回転する。ロータの回転は、ロータ２２２の外面と固定子２２７の内面との間に供給ストリーム２０５などの流体を供給することによって、局所的な高せん断状態を作り出す。隙間２２５，２３５，２４５は、供給ストリーム２０５を処理する高せん断力を生じる。ロータと固定子との間の高せん断力は、供給ストリーム２０５を処理することによって生成物分散体２１０を生産するように機能する。供給ストリーム２０５が気体を含む場合には所望の気泡サイズの、または供給ストリーム２０５が液体を含む場合には所望の小球サイズの狭い分散を生成物分散体２１０中に生じるために、高せん断装置２００の各生成機２２０，２３０，２４０は交換可能なロータ−固定子の組み合わせを有する。
【００３９】
液体中の気体粒子、小球、又は気泡の生成物分散体２１０はエマルジョンを含む。ある実施形態においては、生成物分散体２１０は、以前は連続相中に非混和性又は不溶性であった気体、液体又は固体の分散物を含んでもよい。生成物分散体２１０は約１．５μｍ未満である気体粒子、小球、又は気泡の平均サイズを有し、好ましくは小球はサブミクロンサイズの直径である。場合によっては、平均球サイズは約０．１μｍから約１．０μｍの範囲である。または、平均球サイズは約４００ｎｍ（０．４μｍ）未満であり、最も好ましくは約１００ｎｍ（０．１μｍ）未満である。
【００４０】
先端速度は、エネルギーを反応物に伝達する一つ以上の回転部材の端部に関連する速度（ｍ／秒）である。回転部材の先端速度は単位時間あたりにロータの先端が移動する周方向の距離であり、一般に方程式Ｖ（ｍ／秒）＝π・Ｄ・ｎで表され、Ｖは先端速度、Ｄはロータの直径のメートル、及びｎはロータの回転速度の回転数／秒である。そのため、先端速度はロータの直径と回転速度との関数である。
【００４１】
コロイドミルの場合、通常の先端速度は２３ｍ／秒（４５００フィート／分）を超えており、４０ｍ／秒（７９００フィート／分）を超えることもある。本開示において、用語「高せん断」は、５ｍ／秒（１０００フィート／分）を超える先端速度を実現可能であり、反応される生成物のストリーム中にエネルギーを伝達する外部機械駆動式の電源装置を必要とするミル又はミキサーなどの機械式のロータ−固定子装置を指す。ある場合には、２２．９ｍ／秒（４５００フィート／分）を超える先端速度を実現可能であり、２２５ｍ／秒（４４，２００フィート／分）を超えることもある。高せん断装置は、速い先端速度を非常に小さなせん断隙間と組み合わせることによって、処理される材料に大きな摩擦／せん断を生じる。そのため、（せん断隙間、先端速度、及び他の要素に応じて）約１０００ＭＰａ（約１４５，０００ｐｓｉ）から約１０５０ＭＰａ（１５２，３００ｐｓｉ）の範囲の局所圧とせん断混合装置の先端における温度上昇とが稼動中に生じ得る。ある実施形態においては、局所圧は少なくとも約１０３４ＭＰａ（約１５０，０００ｐｓｉ）である。局所圧は、稼動中において先端速度、流体粘度、ロータ−固定子の隙間に依存する。
【００４２】
流体に与えられるエネルギー（ｋＷ／Ｌ／分）の概算は、モータのエネルギー（ｋＷ）と流体の供給量（Ｌ／分）を測定することによって算出できる。ある実施形態では、高せん断装置の消費エネルギーは１０００Ｗ／ｍ3を超える。ある実施形態では、消費エネルギーは約３０００Ｗ／ｍ3から約７５００Ｗ／ｍ3である。高せん断装置２００は速い先端速度を非常に小さなせん断隙間と組み合わせることによって、材料に対して大きなせん断を生じる。通常、せん断の量は流体の粘度に依存する。せん断速度は先端速度をせん断隙間の幅（ロータと固定子の間の最小の隙間）で割った値である。高せん断装置２００で生じるせん断速度は２０，０００ｓ-1を超える場合もある。ある実施形態では、せん断速度は少なくとも４０，０００ｓ-1である。ある実施形態では、せん断速度は少なくとも１００，０００ｓ-1である。ある実施形態では、せん断速度は少なくとも５００，０００ｓ-1である。ある実施形態では、せん断速度は少なくとも１，０００，０００ｓ-1である。ある実施形態では、せん断速度は少なくとも１，６００，０００ｓ-1である。ある実施形態では、ＨＳＤ４０によって生じるせん断速度は、２０，０００ｓ-1から１００，０００ｓ-1の範囲である。例えばある利用形態において、ロータの先端速度は約４０ｍ／秒（７９００フィート／分）であり、せん断隙間の幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、１，６００，０００ｓ-1のせん断速度を生じる。別の利用形態では、ロータの先端速度は約２２．９ｍ／秒（４５００フィート／分）であり、せん断隙間の幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、約９０１，６００ｓ-1のせん断速度を生じる。ロータが大きな直径を有する実施形態においては、せん断速度は９，０００，０００ｓ-1を超える場合もある。
【００４３】
高せん断装置２００は、大気圧で少なくとも約１５分にわたって分散状態を維持できる気体のエマルジョンを生成する。本開示のため、生成物分散体２１０において分散相である気体粒子、球、又は泡の直径が１．５μｍ未満であるエマルジョンは、微細な泡を含んでもよい。特定の理論により限定はされないが、エマルジョン化学の分野において、液体中に分散されたサブミクロンサイズの粒子、球、又は泡は主にブラウン運動効果によって移動することが周知である。
【００４４】
高せん断装置２００の選択は、処理要求量と生成される分散体２１０中において望まれる粒子又は泡のサイズに基づく。ある場合には、高せん断装置２００は、ノースカロライナ州、ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標）  Works，Inc．及びマサチューセッツ州、ウィルミントンのＡＰＶ  North  America，Inc．のDispax  Reactor（登録商標）を備える。例えば、ＤＲ２０００／４型はベルトドライブ、４Ｍ生成機、ＰＴＦＥシールリング、１インチの入口フランジ用衛生クランプ、３／４インチの出口フランジ用衛生クランプ、２馬力の動力、７９００ｒｐｍの出力速度、（生成機に依存する）約３００Ｌ／時から約７００Ｌ／時の（水の場合の）流動能力、及び９．４ｍ／秒から約４１ｍ／秒（約１８５０フィート／分から約８０７０フィート／分）の先端速度を有する。様々な入口／出口の連結、馬力、先端速度、出力ｒｐｍ、及び流速を有する他の様々なモデルが利用可能である。例えば、Super  Dispax  Reactor  DRS2000である。ＲＦＢユニットは、一時間あたり１２５，０００リットルの流動能力を有するＤＲ２０００／５０ユニットであっても良いし、４０，０００Ｌ／時の流動能力を有するＤＲＳ２０００／５０であっても良い。
【００４５】
特定の理論に限定されることは望まないが、高せん断混合のレベル又は程度は物質移動の速度を上昇させるのに十分であり、ギブスの自由エネルギー予測に基づいて起こらないと予想される反応を引き起こすことができる局所的な非理想的状態を生じることができると考えられる。局所的な非理想状態は高せん断装置内で生じ、最も顕著な増加は局所圧であると考えられている温度及び圧力の上昇をもたらすと考えられている。高せん断装置内における圧力及び温度の上昇は、瞬間的及び局所的であり、高せん断装置から出るとすぐに大部分の又は平均のシステム状態に戻る。ある場合には、高せん断混合装置は一つ以上の反応物をフリーラジカルに分離するのに十分な強度のキャビテーションを引き起こし、これによって化学反応が増大し、又はフリーラジカルが存在しない場合に必要とされる条件よりもより厳しくない条件で反応が起こることを可能にする。また、キャビテーションは局所的な乱流及び液体の微小循環（音響流）を生じることによって輸送プロセスの速度を向上する。
【００４６】
発明の好適な実施形態が示されて説明されたが、当業者は発明の精神及び教示を逸脱することなくそれらの改良を行うことができる。本明細書に記載される実施形態は単なる例示であり、限定することを意図していない。本明細書において開示される発明の多くの変形及び改良は、可能であると共に発明の範囲に属する。数値範囲又は数値限定が明確に記載されている場合、そのような表現の範囲又は限定は、明確に記載された範囲又は限定内に入る同様の桁の反復範囲又は限定を含む（例えば、約１から約１０は、２，３，４などを含み、０．１０より大きいは、０．１１，０．１２，０．１３及びそれ以上を含む）ことが理解されなければならない。請求項のあらゆる部材に関する用語「任意に」の使用は、対象部材が必要である又は必要でないことを意味することを意図している。いずれの選択肢も請求項の範囲に入ることを意図している。「有する（comprise）」、「含む（includes）」、「有する（having）」などの広い用語の使用は、「からなる（consisting  of）」、「ほぼ〜からなる（consisting  essentially  of）」、「実質的に〜からなる（comprised  substantially  of）などの狭い用語に対するサポートをもたらすことが理解されなければならない。
【００４７】
したがって、保護の範囲は上述の説明によって限定されず、以下の請求項によってのみ限定され、その範囲は請求項の対象物の全ての均等物を含む。請求項は本発明の実施形態として明細書中に援用される。したがって、請求項は更なる説明であり、本発明の好適な実施形態の追加事項である。背景技術の欄における文献の説明は、特に本願の優先権後の発行日を有する文献が本発明の従来技術であることを認めるものではない。本明細書で引用された全ての特許、特許出願、及び公報の開示は、それらが例示的であり、手順に関し、又は本明細書に記載されるそれらを補完する他の詳細事項を提供する範囲において、参照によって本明細書に援用される。
【図１】
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【図２】
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