(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料と前記液体燃料よりも蒸気圧が高くかつこれと相溶しない燃料とを混合して燃焼装置に供給する混合燃料供給装置において、
混合する燃料を夫々の供給路より流入させる流入口と、各流入口から夫々の流路を介して流入した燃料を混合する混合域と、混合された燃料の流出口とを有するミキサおよび、
前記ミキサの流出口に接続される吸入ポートおよび前記燃焼装置に接続される吐出ポートを有しかつ前記蒸気圧の高い燃料の蒸気圧に到達する吸入能力に設定されているミキシングポンプを備え、
前記蒸気圧の高い燃料を前記ミキシングポンプの吸入ポートでの減圧下で気化した後、吐出ポートに到るポンプ内の移送過程で再度液化して前記液体燃料中に混合、分散させエマルジョン化させることを特徴とする混合燃料供給装置。
【請求項２】
液体燃料と前記液体燃料よりも蒸気圧が高くかつこれと相溶しない燃料とを混合して燃焼装置に供給する混合燃料供給方法において、
前記混合する燃料を夫々の流路によりミキサに流入させてその混合域で合流混合し、
混合された燃料をミキサの流出口に接続されたミキシングポンプの吸入ポートに送り、
前記蒸気圧の高い燃料の蒸気圧に到達する吸入能力に設定された前記ミキシングポンプの運転により、
前記蒸気圧の高い燃料を前記ミキシングポンプの吸入ポートでの減圧下で気化した後、吐出ポートに到るポンプ内の移送過程で再度液化して前記の液体燃料中に均質かつ微細に混合、分散させてエマルジョン化させ得られた混合燃料を前記燃焼装置に送ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関や燃焼装置に混合液体燃料を供給する装置および混合燃料の供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球と共存できる社会を目指して、石油からバイオ燃料やメタンハイドレードへの移行に見られる枯渇資源からの分散、CO2の削減やNOｘおよびSOｘ吐出量の削減などの環境負荷の低減が急務となっている。このための様々な取り組みが行われている。
【０００３】
従来、高速内燃機関ではガソリンやアルコールなどの燃焼スピードの速い燃料を用いている。また、低速内燃機関では 従来C重油などの燃焼スピードの遅い燃料を用い高い効率とトルクを得、発電機や大型船舶の主機として普及している。ボイラ等に用いられる燃焼機器では、ガス、灯油、Ａ重油、Ｃ重油などそれぞれの燃料の性状に合った特性を持つバーナを用いている。
【０００４】
例えばエタノールは環境負荷に優しいと言われているが低速内燃機関に使用するとトルクが低下すると言う問題が生じる。このために、低速内燃機関のピストン・スピードに適した燃焼スピードを持つ燃料が望まれ、例えば分子量の大きい燃料（高級アルコール、等）のニーズが高まる。また、特性の異なる燃料を混合する事により目的の特性に改質し使用するニーズが高まる。一方では
新しい燃料に適した内燃機関や燃焼装置の開発が進むと予想されるが、既存設備（例えば大型船舶では20〜30年のライフサイクル）のためこれらの燃料あるいは混合手段のニーズが無くなる事はない。
【０００５】
例えば、自動車等に使用される高速内燃機関ではガソリンにアルコールを混合した燃料を使用している国があるが、600min-1〜6500min-1の回転域の中でその状態に応じて混合比率を可変する事により、さらに高性能化を図り燃料消費量の削減と環境負荷の低減を進める事が考えられる。
【０００６】
ディーゼル機関では、始動時や高負荷時にPMが多く発生する事から、始動時や高負荷時に分子中にO（酸素原子）を持つ例えば植物油やアルコール系燃料を主燃料に混合する事によりPMの発生量を低減する事が考えられる。
【０００７】
また、液体燃料を使用するバーナやディーゼル機関では、主燃料に水を混合エマルジョン化した燃料を用いる事により、排ガス中のＮＯｘの低減や燃料消費量の削減の試みが行われている。しかし、水と油のエマルジョン燃料では
粘度の上昇、燃焼スピードの低下が原因し効率が低下する場合が見られ、これを補うために、例えばアルコール水溶液と油の混合エマルジョン燃料が考えられる。この場合は、アルコールを水溶液とする事により貯蔵時の危険性を軽減できる効果もある。
【０００８】
内燃機関や燃焼装置では 燃焼室内に分離して複数燃料を供給する事が考えられるが、これに対応していない既存設備では燃料を混合する手段が必要になる。このように、枯渇資源からの分散環境負荷の低減のニーズの高まりと共に、内燃機関や燃焼装置では混合燃料のニーズが増加し、そのための混合手段の普及が望まれる。
【０００９】
ここで、たとえばエマルジョン燃料に関する従来技術としては、特許文献１および特許文献２が挙げられる。
【特許文献１】特開２００７−１１１６６７号公報
【特許文献２】特開２００７−０３２９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
複数の燃料を混合供給する装置において、混合する燃料の少なくとも一方の燃料が液体で、混合後の混合燃料が液体で供給される混合燃料の供給装置に関する課題について、船用ボイラの燃焼装置のための混合燃料の供給装置（例えばヘビー・フエル・オイル（以下H.F.O.と記す、動粘度120〜700cSt  at  50℃）と水を混合（エマルジョン燃料）した燃料）を例として説明する。
【００１１】
従来、特許文献１に記載されているように、エマルジョン燃料を専用の設備で混合製造作し、タンクに貯め、必要量を使用するという方法があるが、長時間の保管中にエマルジョンを構成する油と水の分離が発生する事を防止するために、乳化剤が必要である。
加えて、エマルジョン燃料のための専用のタンクが必要となり、タンクからのエマルジョン燃料の供給装置およびタンク内エマルジョン燃料の温度維持のためのヒータや循環装置が必要となり、大型化が避けられなかった。
さらにH.F.C.中に微粒子（Ｆｅ、ＳｉＯ２など）を含むため 微小な流路を用いた乳化装置はその流路の閉塞の問題から使用出来なかった。
【００１２】
これを改良する技術があるが（特許文献２）、混合燃料の循環ラインが必要であるため、前例に比較しタンクが省略出来るが、装置の複雑さは解消されない。また、H.F.O.に水を混合し長期間放置するとスラッジが発生し、スラッジが配管を閉塞するという問題が生じる。
【００１３】
また、従来技術では 燃料を混合し ミキシングポンプ（ホモジナイザーなど）に通す事により水の粒径を微細化・均一化するが、水粒子の粒度分布により動粘度が大きく変化する。
例えば、C重油（１２０[cSt]）に３０[ｗ％」の水を混合しエマルジョン燃料（油中水滴）とした場合１０００[cSt]を超える粘度が記録される場合がある。下表は粘度および温度を変化させた時の配管抵抗を動粘度１２０[cSt]の燃料を１１５℃に過熱した時の配管抵抗で割った値を示す。
【００１４】
0004733711.tif 000002
【００１５】
表に見られるように、配管抵抗は 粘度と温度に敏感に影響を受け、この結果、このミキシングポンプから燃焼装置までエマルジョン燃料を送る配管の抵抗が大幅に変化するため、燃料の供給量が大きく変化するという問題がある。
【００１６】
また、従来技術では、総量の増減による流速の変化が配管抵抗（ミキシング・ポンプから燃焼装置までエマルジョン燃料を送る配管の抵抗）の増減を招く事が原因した相互干渉の問題が生じる。
例えば、水の供給量が増えれば油の供給量が減る、油の供給量を増やせば水の供給量が減ると言う問題であり、供給量の制御や混合比率を制御する上で致命的な欠陥となる。
【００１７】
例えば、船用ボイラの燃焼装置では 蒸気の消費量に応じて燃焼量の増減および燃焼・停止の制御を行うことが必要であり、例えば
（１）粘度の高いエマルジョン燃料は着火性が低下するため、燃焼停止前に水の混合を中止し、ミキシングポンプから燃焼装置までエマルジョン燃料を送る配管中のエマルジョン燃料を油に置き換える場合がある。
（２）燃焼停止時、ミキシングポンプから燃焼装置までエマルジョン燃料を送る配管の温度低下に伴いエマルジョン燃料の粘度が上昇し配管を閉塞するため、燃焼停止前に水の混合を中止し、ミキシングポンプから燃焼装置までエマルジョン燃料を送る配管中のエマルジョン燃料を油に置き換える場合がある。
（３）ボイラ効率（ボイラへの燃焼熱の伝播率）を高めるため、燃焼量の増減に応じて油と水の混合比率を変化させる場合がある。
【００１８】
この様な場合において、効率の維持およびＮＯｘの低減および発煙防止のために空気比を保つ必要があるが、従来技術では、粘度・温度・供給水率の増減により油の供給率は大きく影響を受けるため適切な空気比に維持する事が困難であった。
【００１９】
すなわち、本発明における課題は：
a)  燃焼装置に混合燃料を供給する際の混合燃料供給装置を、大型もしくは複雑な構造の設備を必要とすることなく小型でコンパクトな構造とすること、燃料を供給する際の温度や粘度に起因する管路抵抗の変化による供給量や混合比率の変動を抑止すること、
b)  複数の燃料を混合して供給する際に、供給量や混合比率が変化してもそれらの間に相互干渉を生じることがなく、供給が常に安定して行われるようにすること、
c)  温度や粘度の変化による混合燃料の配管の管路抵抗の増減による供給流量の変動を容易に制御できるようにすること、および
d)  油および水の様に互いに溶解しない液体を混合する場合、特別な貯槽や乳化設備、および乳化剤等を必要とせずに、微細粒径および適切な粒度分布に維持された水／油エマルジョン燃料が得られ、微粒子やスラッジによる目詰まりや閉塞を生じないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決するために、図１および図２を参照して、本発明は請求項１記載のように
液体燃料と前記液体燃料よりも蒸気圧が高くかつこれと相溶しない燃料とを混合して燃焼装置に供給する混合燃料供給装置１において、
混合する燃料を夫々の供給路Ｐ１、Ｐ２より流入させる流入口２、３と、各流入口２、３から夫々の流路（図２における円管部材８内の流路、流入管６内の流路）を介して流入した燃料を混合する混合域４と、混合された燃料の流出口５とを有するミキサＭ１と、
前記ミキサＭ１の流出口５に接続される吸入ポート２１および前記燃焼装置に接続される吐出ポート２２を有するミキシングポンプＭ２を備え、
前記ミキシングポンプは前記蒸気圧の高い燃料の蒸気圧に到達する吸入能力に設定した。
【００２１】
本発明の混合燃料供給装置１においては、図１に示すように、混合する燃料を独立した夫々の供給路Ｐ１、Ｐ２の流入口２、３からミキサＭ１に流入させてその混合域４（図２）で混合拡散させ、混合された燃料をミキサＭ１の流出口５に接続されたミキシングポンプＭ２の減圧状態にある吸入ポート２１に流入させ、ミキシングポンプＭ２内でさらに均質に混合して混合燃料としこれを燃焼装置に供給する。
【００２２】
本発明の装置は基本的にはミキサＭ１とこれに接続されたミキシングポンプＭ２からなり、構成要素の一つであるミキサＭ１は、たとえばケーシング７内部に形成した燃料の混合および拡散のための混合域４、それに対して形成される各燃料の流入口２、３（流路）および混合燃料の流出口５（流路）からなるスタティックミキサであり、その構造が小型でかつ極めて簡単であり、燃料中に夾雑物としての微粒子が含まれている場合においても、その沈着による閉塞等の障害は生じない。また、ミキシングポンプＭ２としては汎用ポンプを用いることができ、汎用ポンプは小型、高品質で信頼性が高く、低価格で容易に入手することができる。
【００２３】
混合燃料を供給する配管では、周囲温度や粘度の変化により管路抵抗が増大して燃料の供給量に影響を生じるおそれがあるが、本発明では各燃料は前記ミキサＭ１の流入部迄は夫々の供給路Ｐ１、Ｐ２により互いに独立して供給され、混合燃料として供給される部分は実質的にはミキシングポンプＭ２と燃焼装置との間の配管部分（供給路Ｐ４）のみとなるのでこのような影響が極めて少なくなる。
【００２４】
特に本発明では、前記ミキサＭ１に接続されたミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１をポンプの回転により減圧状態とするので、混合された燃料が導入される吸入ポート２１がこの状態で安定し、たとえば燃料の供給量や供給比率の相対的な増減があった場合にも、広い範囲（雫から定格値）の供給量で安定な混合供給がなされる。すなわち、燃料間の相互干渉による供給量の変動や混合比の変化を抑止することができる。
【００２５】
例えば一般的な流量制御方法として配管途中に流量調整弁を設けた場合、この流量調整弁には、一定の供給圧力から流量調整弁の下流側（出口側）の配管抵抗による圧力損失を差し引いた圧力がかかる。前記圧力損失が常に一定であれば流量調整弁にかかる圧力は一定となり、流量調整弁を通過する流量は安定する。しかし、例えば出口側の配管での温度低下による燃料の粘度の上昇によって前記圧力損失が増大すると、流量調整弁にかかる圧力は低下するので通過する流量が低下する。
【００２６】
これに対し、本発明においては、前記流量調整弁と出口側との間に介在させたミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１を減圧状態とすることにより、吸入ポート２１におけるサクション圧がその減圧値で安定するので、流量調整弁にかかる圧力は一定の供給圧力値から一定の減圧値を差し引いた一定の差圧となり、流量調整弁を通過する流量が安定する。つまり、吸入ポート２１を減圧することにより、ミキシングポンプＭ２よりも下流側で発生する圧力損失の変動に何ら関係なく、燃料の流量を安定化させることができる。減圧はミキシングポンプＭ２の回転数により設定されるが、これは駆動モータの回転数によって容易に制御することができる。
【００２７】
油に対して水を強制混合する場合、総量の増加により配管抵抗が増大し油の供給量が減少するいわゆる「相互干渉」の問題が生じる。ミシキングポンプＭ２の吸入ポート２１を減圧せずに作動させた場合には、下流側で発生する圧力損失の影響がミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１に生じるが、吸入ポート２１のサクション圧を減圧することにより圧力損失の影響をほとんど受けることなく圧力を安定化させることができる。
【００２８】
本発明においては前記のように、前記ミキシングポンプは混合する複数の燃料の中で蒸気圧の最も高い燃料の蒸気圧に到達する吸入能力に設定されている。つまり、ミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１における減圧は使用されるポンプ能力により混合される燃料中の飽和蒸気圧の最も高いものの蒸気圧値に対応して設定される。
【００２９】
設定したミキシングポンプＭ２の吸入能力（回転数）に比して混合燃料の供給量が十分に少ない場合には、吸入ポート２１の圧力は蒸気圧の最も高い燃料の蒸気圧で安定する。例えば蒸気圧の最も高い燃料として水を加えた場合、その温度における蒸気圧までミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１の圧力が上昇したところで安定する。１００℃の水を加えた場合でもその蒸気圧は０．１０１３ＭＰａ（大気圧）であるから影響は殆どない。
【００３１】
ミキシングポンプＭ２の吐出ポート２２から燃焼装置に到るまでの間の管路が本発明の混合燃料供給装置１において混合燃料として供給される実質的な配管路であるが、この部分においても温度低下や粘度上昇による管路抵抗の増大で流量が減少するおそれがある。この場合本発明においては、ミキシングポンプＭ２の吐出圧が増大することにより流量が一定となるように容易に制御することができる。
【００３２】
また、図５を参照して、本発明の具体例においては前記ミキサＭ１の混合域４の直前において一方の燃料の流路に位置され、この流路の断面積を変化させて前記燃料の流量を制御する調量弁３１を前記ミキサＭ１の内部に一体に組込んで備えるようにした。
【００３３】
ミキサＭ１で混合される複数の燃料の中の一つのものの燃料の流量が減少した場合、その流速が低下して他の燃料に対する混合・分散が不充分になるが、調量弁３１によってこの燃料の流路の断面積を変化させることによって流速を増加させ、燃料の混合効果を向上させることができる。この調量弁３１はたとえばミキサＭ１内部の前記燃料の流路の内壁にテーパを形成して弁座（テーパ面３５）とし、これに対応する形状の弁体３８を流路中で進退させる構造とすることにより、小型のミキサＭ１の内部に一体化して容易に作りつけることができる。
【００３４】
次に、本発明において用いられる燃料は少なくとも一つのものが液体であり、すでに述べたように燃焼装置の仕様・特性に応じて、特性が互いに異なる石油系燃料の組合せ、ガソリンとアルコールのような石油系燃料と植物油やアルコール燃料等のバイオ燃料の組合せ、石油系燃料と水等の組合せなど種々の液体燃料の組合せを用いることができ、さらにこれらに対して水蒸気等の気体の混合燃料成分を組合せたものも使用される。混合燃料における水、水蒸気はＮＯｘの削減等の目的で用いられ、本来の燃料ではないが混合燃料の構成成分として用いる場合は以下これらも燃料として記載する。これらの中、たとえが重質油と水のように相互に溶解しないものを混合する場合には、これらは混合によりたとえば油中水滴型のエマルジョン燃料として生成されるが、このようなエマルジョン燃料については前記のようにその製造および供給過程において種々の問題が生じる。本発明はこのような混合燃料に適用する場合に特に効果的である。
【００３５】
そこで、本発明においては、前記混合する燃料が第１の液体の燃料および前記第１の液体の燃料よりも蒸気圧が高くかつこれと相溶しない第２の燃料を含み、
前記第２の燃料を前記ミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１での減圧下で一旦気化した後、吐出ポート２２に到るポンプ内の移送過程で再度液化して前記第1の液体の燃料中に混合、分散させエマルジョン化させるようにした。
【００３６】
重質油と水から混合燃料を生成する場合には、これらをミキサＭ１中で合流・混合した後、ミキシングポンプＭ２によって油中における水が微細な粒径と良好な粒度分布を有するように均質に混合する。この場合ミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１の圧力は重質油よりも飽和蒸気圧の高い水の飽和蒸気圧に対応した減圧値に設定される。吸入ポート２１のこの減圧下では水が蒸発、気化して重質油中に微細に分散し、次いでポンプの各隔室を経て吐出ポート２２に移送される間に剪断力の作用を受けて重質油中に好ましい粒度分布で微細に分散され油中水滴型のエマルジョン燃料となる。
【００３７】
重質油と水との混合によるエマルジョン燃料では従来複雑な構造の乳化装置が用いられ、またエマルジョン燃料を貯めておくための貯槽やその際の分解を防ぐため乳化剤が用いられていた。本発明においては油および水を夫々の供給部から必要量だけ互いに独立した供給路Ｐ１、Ｐ２から直接ミキサＭ１に送って合流、混合し、混合された油/水をミキシングポンプＭ２の減圧された吸入ポート２１に送ってさらにエマルジョン化することにより、大型もしくは複雑な構造の装置や乳化剤を必要とせず均質なエマルジョン燃料が得られる。また重質油中に微細な粒子が含まれていてもこれによってミキサＭ１等が閉塞されることはなく、管路を目詰まりさせるスラッジを生じることもない。
【００３８】
また、本発明においては、液体燃料と前記液体燃料よりも蒸気圧が高くかつこれと相溶しない燃料とを混合して燃焼装置に供給する混合燃料供給方法において、前記混合する燃料を夫々の流路Ｐ１、Ｐ２によりミキサＭ１に流入させてその混合域４で合流混合し、混合された燃料をミキサＭ１の流出口５に接続されたミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１に送り、ポンプの回転により吸入ポート２１の減圧状態でミキシングポンプＭ２を運転し、混合された燃料をさらに均質かつ微細に混合、分散し、得られたエマルジョン燃料を前記燃焼装置に送るようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下本発明を混合される燃料の複数の成分の中の一方の燃料がＣ重油（以下油と記載する）、他方が水である場合について説明するが、前記のように本発明はこれに限らず種々の混合される燃料の組合せに対して適用することができる。
【００４０】
「第１実施例」
図１は第１実施例に係る混合燃料供給装置１の構成図であり、本図を参照して先ず混合燃料供給装置１の概略構成および概略動作を説明する。符号Ｔ１は、加圧された油を供給する第１燃料供給部を示し、符号Ｔ２は加圧された水を供給する第２燃料供給部を示す。第１燃料供給部Ｔ１に接続され油を供給する供給路Ｐ１には、上流側から順に第１流量計ＦＭ１、第１電磁弁Ｖ１、第１流量調整弁ＣＶ１が介設され、下流端はミキサＭ１に接続される。第２燃料供給部Ｔ２に接続され水を供給する供給路Ｐ２には、上流側から順に第２流量計ＦＭ２、第２電磁弁Ｖ２、第２流量調整弁ＣＶ２が介設され、下流端はミキサＭ１に接続される。
【００４１】
ミキサＭ１の流出口５は供給路Ｐ３を介してミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１と連通する。ミキシングポンプＭ２の吐出ポート２２に接続される供給路Ｐ４には第３電磁弁Ｖ３が介設され、その下流端は混合燃料供給部Ｔ３に接続される。供給路Ｐ４におけるミキシングポンプＭ２と第３電磁弁Ｖ３との間には供給路Ｐ５が分岐形成され、第４電磁弁Ｖ４を介して第１燃料リターン部Ｔ４に接続される。
【００４２】
以上の構成において、混合燃料を生成する段階として、まず第１電磁弁Ｖ１および第４電磁弁Ｖ４を開くとともに第２電磁弁Ｖ２および第３電磁弁Ｖ３を閉め、ミキシングポンプＭ２を始動させ、油を第１燃料供給部Ｔ１から供給路Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を通して第１燃料リターン部Ｔ４まで循環させることにより、供給路Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の配管やミキサＭ１、ミキシングポンプＭ２等の構成部品を油の温度近くまで加温する。
【００４３】
所定の温度まで加温されたら、第４電磁弁Ｖ４を閉めるとともに第３電磁弁Ｖ３を開いて、先ず油のみを混合燃料供給部Ｔ３まで流す。混合燃料供給部Ｔ３に接続された燃焼装置（図示せず）の燃焼が安定したら、第２電磁弁Ｖ２を開いて、油と水の混合燃料の供給を開始する。なお、混合燃料の供給を停止する場合には以上の操作と逆の順序で行う。
【００４４】
「ミキサＭ１」
次に、ミキサＭ１を２つの構造例について説明する。図２はミキサＭ１の第１の構造例を示す側断面図である。ミキサＭ１は、各燃料の供給部Ｔ１、Ｔ２から供給路Ｐ１、Ｐ２を通して各燃料を夫々流入させる流入口、すなわち油を流入させる流入口２および水を流入させる流入口３と、各流入口２、３から流入した油および水を混合して混合燃料を生成する混合域４と、混合燃料の流出口５とを有する。
【００４５】
たとえば円筒形状を有し周壁に流入管６が固設されたケーシング７には、その筒端部を貫通してケーシング７と同心状となるように円管部材８が取り付けられる。円管部材８の一端は油の流入口２を構成し、他端は混合燃料の流出口５を構成する。また、前記流入管６が水の流入口３を構成する。ケーシング７によって囲まれた円管部材８の周壁の軸方向中央周りには、軸方向および円周方向に間隔を空けて複数の小径の噴射孔９が穿設される。
【００４６】
流入口２、３から夫々油と水が流入すると、流入口３から流入した水はケーシング７と円管部材８とによって形成される環状空間１０全体に行き渡り、後述するミキシングポンプＭ２の吸引力により円管部材８内が減圧され、水の供給圧との差圧に相当する圧力により水が各噴射孔９から円管部材８内を流れる油に向けて噴射される。これにより、円管部材８内の混合域４において油と水が効率良く混合され、混合燃料が流出口５から流出する。
実験では、直径１．４ｍｍの噴射孔９を５個設け、６０リットル毎時の油と１３リットル毎時の水を混合させたところ、最終的に生成されるエマルジョン燃料において所望の粒径分布を得ることができた。よって微粒子を含む燃料においても使用可能である。
【００４７】
なお、前記構造例において、水の流路となる流入管６の容積は油の流路の容積よりも小さく設定することが望ましい。例えば、水の流入を長時間停止した状態で油のみを流入させると、水の流路に油が浸入する。この状態から水を流入させると、短時間ではあるが、浸入した分の油と流入口２から流れてくる油とが混合され、油の混合比率が大きくなる。燃焼機器の場合、油の供給量が増加すると最適空気比が崩れて場合によっては黒煙が発生する。これを防止するため、水の流路への油の浸入量を低減すべく、水の流路の容積は油の流路のそれよりも小さく設定することが望ましい。
【００４８】
図３はこのような場合に好適なミキサＭ１の第２の構造例を示す側断面図である。円筒形状を有し、周壁に流入管１１が固設されたケーシング１２の一端の開口部には、ケーシング１２と同心状の流路１３が中央部に貫通形成された蓋部材１４が固設される。ケーシング１２の内部側では、ケーシング１２と同心状に位置する円管部材１５の一端が前記流路１３と連通するようにして蓋部材１４に固設されている。円管部材１５の他端は閉塞され、円管部材１５の周壁には、軸方向および円周方向に間隔を空けて複数の小径の噴射孔１６が穿設される。以上において、流入管１１が油の流入口２を構成し、流路１３が水の流入口３を構成し、ケーシング１２の他端の開口部が混合燃料の流出口５を構成する。
【００４９】
流入口２、３から夫々油と水が流入すると、流入口２から流入した油はケーシング１２と円管部材１５とによって形成される環状空間１７全体に行き渡り、ミキシングポンプＭ２の吸引力により環状空間１７が減圧され、水の供給圧との差圧に相当する圧力により水が各噴射孔１６から環状空間１７内の油に向けて噴射される。これにより、環状空間１７（混合域４）において油と水が効率良く混合され、混合燃料が流出口５から流出する。
【００５０】
「ミキシングポンプＭ２」
本発明の実施例においては、ミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１の圧力（サクション圧）を減圧することにより、ミキサＭ１から送られてくる混合燃料の内で蒸気圧の高い燃料、すなわち本実施例では水が吸入ポート２１において一旦気化され、この気化した水（気泡）がミキシングポンプＭ2内で剪断作用下に吐出ポートまで移送される過程で油中に微細に分散されエマルジョン化させる。
【００５１】
ミキシングポンプＭ２としては、ベーンポンプ、外歯のギヤーを組み合わせたギヤーポンプ、内歯のギヤーの中に外歯のギヤーを組み込んだトロコイドポンプ、ピストンポンプ、過流ポンプなど公知構造のものを適用できる。これらのポンプを使用する場合、吸入ポートの圧力は、通常は吸入ポートに入ってくる流量に見合った圧力に設定される。
【００５２】
これに対して、本発明で用いるミキシングポンプＭ２は、油および水の夫々の供給量の最大値の合計を十分に上回る吸入能力を有する仕様のものとし、ミキシングポンプＭ２のポンプの回転速度（回転力）の設定によって油と水の供給量、すなわちミキサＭ１から送られてくる混合燃料の供給量よりも、ミキシングポンプＭ２の吸入能力を高くした状態で使用する。これにより、吸入ポート２１の圧力が減圧され、設定したミキシングポンプＭ２の吸入能力よりも混合燃料の供給量が十分に少ない場合には、吸入ポート２１の圧力は水の飽和蒸気圧で安定する。
【００５３】
また、水の飽和蒸気圧が非常に低い場合には、吸入ポート２１の圧力は、ミキシングポンプＭ２の吸入能力で決定される圧力で安定する。このことは、第１、第２流量調整弁ＣＶ１、ＣＶ２の両端間に生じる圧力差を安定に維持することになり、その結果、供給される油および水の供給量が安定することを意味する。流量調整弁に代えて定量ポンプにより燃料の供給量を制御する場合においても、圧力差の安定化により供給量が安定することは同業者には容易に理解できる。
【００５４】
また、ミキシングポンプＭ２を通過した混合燃料の粘度が上昇し、混合燃料の流出口５以降の配管抵抗が上昇した場合には、ミキシングポンプＭ２の吐出ポート２２の圧力（デリバリ圧）の上昇により流量を安定化させる。
【００５５】
次に、ミキシングポンプＭ２による混合過程（エマルジョン化）について説明する。ミキシングポンプＭ２内では おおよそ次の各過程を経て、油中に水が微細化して分散される。
（１）ミキシングポンプＭ２の駆動によりミキシングポンプＭ２のサクション圧が減圧される。
（２）減圧によりミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１において水が蒸発する。
（３）蒸発した水が油中に水蒸気として分散する。
（４）ミキシングポンプの吸い込み力により混合燃料がミキシングポンプＭ２内に吸い込まれる。
（５）ミキシングポンプの回転により圧縮工程に入る。
（６）圧縮によりミキシングポンプＭ２内で圧力が上昇する。
（７）圧力が上昇することにより、混合燃料中の水蒸気が液体(水）になる。
（８）液化した水が油中に分散する。
（９）吐出ポート２２からエマルジョン化した混合燃料が吐出される。
【００５６】
これらの全過程において、混合燃料には剪断力（減圧、速度の変化、移動方向の変化、圧縮など）が加えられ、混合燃料中の水が微細化される。
【００５７】
例えば、図８に示すようにトロコイドポンプ２３をミキシングポンプＭ２に使用した例では、７個の内歯を持つアウターロータ２４内に６個の外歯を持つインナーロータ２５が回転する事により吸引圧縮を行う。具体的には、アウターロータ２４およびインナーロータ２５が回転する過程でインナーロータ２５とアウターロータ２４が作る７つの隔室の容積が変化する事により、吸入ポート２１から混合燃料が吸引され、隔室を順送りされる間前記剪断力の作用を受けて水が油中に均質かつ微細に分散した油中水滴型エマルジョンとして吐出ポート２２から吐出される。吸入ポート２１の減圧は、例えばミキシングポンプの回転速度（駆動電動機の周波数）を変化させることによって制御する。
【００５８】
このような効果は、蒸気圧の異なる複数の燃料からなる混合燃料とする場合に得られる。
【００５９】
以上のように、前記実施例によれば、各燃料を夫々流入させる流入口２，３と、各流入口２，３から流入した油と水を合流させて燃料を混合する混合域４と、混合燃料の流出口５とを有するミキサＭ１と、吸入ポート２１がミキサＭ１の流出口５に接続されるミキシングポンプＭ２と、を備え、ミキシングポンプＭ２の吸入ポート２１の圧力を減圧し、飽和蒸気圧の高い燃料（水）を吸入ポート２１周りで一旦蒸発気化させてからミキシングポンプＭ２内で液体に戻すまでの過程で混合された燃料をエマルジョン化させる混合燃料供給装置とすれば、気化温度の低い燃料（水）が微細化されて気化温度の高い燃料（油）に分散されることになり、高品質なエマルジョン燃料を供給することができる。
【００６０】
また、ミキシングポンプの吸引力が不足し、吸引ポート２１の圧力が上昇する場合にはポンプの回転数を速くすれば良く、これにより、簡易な構造で経済的な混合燃料供給装置となる。
【００６１】
「第２実施例」
第１実施例に示した２つの構造例のミキサＭ１（図２、図３）では、油の供給量が少ない場合には、混合域４を通過する油の流速が遅くなり、混合された燃料が良好に分散されないおそれがある。この問題に対して、以下に示す２つのミキサＭ１は、混合域４の直前の油の流路に、この流路の断面積を変化させて油の流量を制御する調量弁３１を備えることを特徴とする。
【００６２】
図５は調量弁３１を備えたミキサＭ１の第１構造例の側断面図である。ミキサＭ１は、例えば側面視して矩形断面を有する中実のブロック体をケーシング３２とし、第１側面３２ａにおいて、座ぐり加工等によりケーシング３２の中央部寄りに小径の第１燃料（油）の流路室３３が、第１側面３２ａ寄りには大径の混合燃料の流路室３４が同心状に穿設され、両室の径の段差にはテーパ面３５が形成される。
【００６３】
第１側面３２ａと直交する第２側面３２ｂには、流路室３３に連通する流路孔３６が穿設されている。この流路孔３６の下流端が油を流入させる流入口２を構成し、流路孔３６と流路室３３がミキサＭ１における油の流路を構成するものである。
【００６４】
流路室３３の底部には、第１側面３２ａと対向する第３側面３２ｃまで貫通する弁体ガイド孔３７が穿設されている。調量弁３１の弁体３８は、弁体ガイド孔３７内を摺動する軸部３９と、この軸部３９の一端に形成され、前記テーパ面３５に当接したときには流路室３３と流路室３４との連通を遮断可能な傾斜面４０を有した弁部４１とを備える。軸部３９の他端は第３側面３２ｃから外部に突出し、図示しない制御機構に連結される。
【００６５】
弁体３８の軸部３９には軸心に沿って流路孔４２が穿設されており、流路孔４２の一端は弁部４１において径方向に貫通穿設された小径の流路孔４３に連通している。流路孔４２の他端寄りは軸部３９の径方向に穿設した流路孔４４と連通する。そして、ケーシング３２の第４側面３２ｄには、流路孔４４と常に連通する第２燃料（水）の流路孔４５が穿設されている。
【００６６】
図５のミキサＭ１は以上の構成からなり、油は流路孔３６、流路室３３を経て、水は流路孔４５、流路孔４４、流路孔４２、流路孔４３を経て流れ、小径の流路孔４３の噴射口付近が混合域４となって両燃料の混合が行われる。そして、軸部３９の移動調節により、テーパ面３５と傾斜面４０との間隔が変化し、つまり油の流路の断面積が変化して、油の流量が調整される。混合域４において油の流速を速くする場合には、軸部３９を図５における左方向に移動させ、テーパ面３５と傾斜面４０との間隔を狭くする。
【００６７】
このように、混合域４の直前部において、油についての流路の断面積を変化させて該燃料の流量を制御する調量弁３１を備える構成とすれば、第１燃料供給部Ｔ１からの油の供給量が少ない場合であっても、混合域４において油の流速を速くすることができ、水を効率良く油に分散させることができる。
【００６８】
図６は調量弁３１を備えたミキサＭ１の第２構造例の側断面図である。この例では、油および水に加えて、アルコールを混合する場合を示している。ミキサＭ１は、例えば側面視して矩形断面を有するブロック体をケーシング５１とし、第１側面５１ａにおいて、ケーシング５１の中央部寄りに大径の油の流路室５２が、第１側面５１ａ寄りには小径の混合燃料の流路室５３が同心状に穿設され、両室の径の段差にはテーパ面５４が形成される。なお、ケーシング５１は具体的には２つのブロック体からなる。
【００６９】
第１側面５１ａと直交する第２側面５１ｂには、流路室５２に連通する流路孔５５が穿設されている。この流路孔５５の下流端が油を流入させる流入口２を構成し、流路孔５５と流路室５２がミキサＭ１における油の流路を構成する。
【００７０】
流路室５２の底部には、第１側面５１ａと対向する第３側面５１ｃまで貫通する弁体ガイド孔５６が穿設されている。調量弁３１の弁体５７は、弁体ガイド孔５６内を摺動する軸部５８と、この軸部５８の一端に形成され、前記テーパ面５４に対向する傾斜面５９を有した弁部６０とを備える。軸部５８の他端は第３側面５１ｃから外部に突出し、図示しない制御機構に連結される。
【００７１】
第２側面５１ｂ、第４側面５１ｄには、夫々水の流路孔６１、アルコールの流路孔６２が穿設され、両者は流路室６３で合流したうえで、流路室５３の径方向に沿って延設された小径の流路孔６４に連なる。流路孔６４の下流端は流路室５３の上流側に臨んで、水とアルコールの混合液を流路室５３に噴射する噴射口を形成する。
【００７２】
調量弁３１を備えた第２構造例のミキサＭ１は以上からなり、油は流路孔５５、流路室５２を経て流れ、水とアルコールは流路室６３で合流されたうえで流路孔６４から噴射され、小径の流路孔６４の噴射口付近が混合域４となって３つの燃料の混合が行われる。そして、軸部５８の移動調節により、テーパ面５４と傾斜面５９との間隔が変化し、つまり油の流路の断面積が変化して、油の流量が調整される。混合域４において油の流速を速くする場合には、軸部５８を図６における右方向に移動させ、テーパ面５４と傾斜面５９との間隔を狭くする。
【００７３】
図５に示した調量弁３１では、下流の混合域４に向けて先端が広がる逆テーパ形状となっているため、混合域４の周長が長くなり、油が通過する調量弁３１の間隔が狭くなる。よって、周長が長いために混合燃料の分散性には優れるが、調量弁３１の間隔が狭いために微粒子を多く含有する燃料では目詰まりの可能性が高くなる。一方、図６に示した調量弁３１では下流の混合域４に向けて先端が細くなるテーパ形状となっているため、混合域４の周長が短く、油が通過する調量弁３１の間隔が広くなる。よって、周長が短いために混合燃料の分散性には劣るが、調量弁３１の間隔が広いために微粒子を多く含有する燃料では目詰まりの可能性が低くなる。
【００７４】
以上のように、調量弁３１を備えたミキサＭ１とした場合には、油のための流量調整弁ＣＶ１を省略することができる。図４は、流量調整弁ＣＶ１を省いた場合の混合燃料供給装置１の構成図を示している。
【００７５】
次に、図７は、油および水の温度および圧力を制御・維持するための構成図を示しており、油を例に説明する。第１サービスタンク７１に入れられた油は、循環ポンプ７２により吸引・加圧・圧送され加熱器７３に送られる。
【００７６】
加熱器７３は、蒸気や電気ヒータ等の熱源で加熱されるが、その温度はPID制御等（図示せず）により一定に維持される。加熱された油は燃料流出部７４に導かれ、前記混合燃料供給装置１の第１燃料供給部Ｔ１（図１、図４）に送られる。循環ポンプ７２の能力（最大流量）は、前記混合燃料供給装置１で使用される油の量より多いものが要求され、よって余剰分（循環ポンプ７２の最大流量から前記混合燃料供給装置１で使用される油量を差し引いた量）が供給圧力調節弁７５を流れ、戻りライン７６から第１サービスタンク７１側に戻され循環する。
【００７７】
供給圧力調節弁７５に余剰分の油が流れる事により、燃料流出部７４における油の供給圧は一定に維持される。供給圧力調節弁７５は、バネ力によるものや比例弁とその開度を制御するコントローラ（PID制御などにより）を組み合わせたもの等が使用され、圧力を一定に保つ。供給圧力調節弁７５から第１サービスタンク７１への戻りラインには、混合燃料供給装置１の第１燃料リターン部Ｔ４に接続される。
【００７８】
水の場合も、油と同様に制御されるため、説明は省略する。
【００７９】
図４のミキサＭ１に実施例２で示した図５の調量弁を組込み、ミキシングポンプとしてトロコイドポンプ（Ｔ０２−２２０：日本オイルポンプ工業製）を用いて実際のコンテナ船のボイラ用の燃焼装置において、Ｃ重油（１００℃）／水（８℃）を約５：１の割合でＣ重油を１００Ｌ／ｈｒ、２００Ｌ／ｈｒ、３００Ｌ／ｈｒの供給量で用いたところ、最小燃焼量（１００Ｌ／ｈｒ）の場合にも良好な粒径分布のエマルジョン燃料が得られた。
【００８０】
尚ポンプ回転数を駆動モータにより変化させた場合の得られた水／Ｃ重油エマルジョン燃料の水の粒径および粒度分布を図９に示す。モータ周波数（同期回転数）が高いほど粒径が微細になり、粒度分布が良好になる（Ｃ重油１００Ｌ／水２０Ｌ／ｈｒ）。モータ周波数７５Ｈｚ（ポンプ回転数：２２５０ｍ−１）の場合にもっとも良い効果が得られるが、実施例では使用したモータの定格を考慮して６０Ｈｚ（ポンプ回転数：１８００ｍ−１）で実験を行った。
【００８１】
燃焼装置の動作中、黒煙の発生や失火等は認められなかった。またミキシングポンプをサクションポートの減圧下に運転することはポンプとしては一般的な使用法ではないが、船舶の通常の定期ドック（２．５年：７２００時間）に対して少なくとも約１００００時間以上の使用でポンプにギヤ鳴りや摩耗、損傷などの異常は認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１実施例に係る混合燃料供給装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例におけるミキサの第１構造例を示す側断面図である。
【図３】本発明の第１実施例におけるミキサの第２構造例を示す側断面図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る混合燃料供給装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施例における調量弁を有するミキサの第１構造例を示す側断面図である。
【図６】本発明の第２実施例における調量弁を有するミキサの第２構造例を示す側断面図である。
【図７】各燃料の温度および圧力の制御例を示す構成図である。
【図８】トロコイドポンプの構造図である。
【図９】本発明の第２実施例を用いて得られらエマルジョン燃料におけるＣ重油と水の粒径および粒度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１      混合燃料供給装置
２１    吸入ポート
２２    吐出ポート
３１    流量弁
Ｍ１    ミキサ
Ｍ２    ミキシングポンプ
【図１】
0004733711.tif 000003
【図２】
0004733711.tif 000004
【図３】
0004733711.tif 000005
【図４】
0004733711.tif 000006
【図５】
0004733711.tif 000007
【図６】
0004733711.tif 000008
【図７】
0004733711.tif 000009
【図８】
0004733711.tif 000010
【図９】
0004733711.tif 000011