(57)【要約】【課題】優れた特性を備え得る燃料をシンプルな装置で、低コストに製造する。【解決手段】高圧で液体を噴射することにより、超微細気泡等のナノバブルを含む水であるナノバブル水を、石油系液体燃料に混合して、機能性の高い燃料を提供する。このようにして製造されたナノバブル水を混合・分散させた燃料は、極めて燃焼効率が高く、単に石油系液体燃料だけを燃焼させた場合と同じくらい高温に燃焼炉を維持することが可能である。このようなナノバブル水を含む燃料を製造する方法及びその製造装置、並びに、ナノバブル水を含む燃料を効率よく燃焼させるナノバブル燃焼システムを提供する。【選択図】図１
2012052094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５重量％から７０重量％のナノバブル水を含む石油系燃料からなるナノバブル燃料。
【請求項２】
前記ナノバブル水の少なくとも一部を平均粒径が０．４μｍ〜２μｍの微粒子として含むことを特徴とする請求項１に記載のナノバブル燃料。
【請求項３】
前記ナノバブル水は、バブル平均径が４０〜２００ｎｍのバブルを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のナノバブル燃料。
【請求項４】
前記ナノバブル水のバブル中に水素が含まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のナノバブル燃料。
【請求項５】
水をナノバブル処理してナノバブル水を製造するナノバブル工程と、
該ナノバブル水及び石油系燃料を混合するミキシング工程と、を含むナノバブル燃料の製造方法。
【請求項６】
前記ナノバブル工程は、原水に水素のバブリングを行う添加工程を含むことを特徴とする請求項５に記載のナノバブル燃料の製造方法。
【請求項７】
前記ナノバブル工程は、
５〜２０ＭＰａの圧力の液体を実質的に静的な原水中に噴射し、該噴射流を壁に衝突させる噴射・衝突工程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のナノバブル燃料の製造方法。
【請求項８】
ナノバブル水製造手段及び配水手段からなるナノバブル水供給装置と、
石油系燃料の供給装置と、
前記ナノバブル水及び前記石油系燃料を混合する混合装置と、を含むナノバブル燃料の製造装置。
【請求項９】
ナノバブル水供給手段と、
石油系燃料の供給手段と、
前記ナノバブル水及び前記石油系燃料を混合する混合手段と、
混合されたナノバブル燃料を燃焼させる燃焼手段と、を含むナノバブル燃焼システム。
【請求項１０】
前記燃焼手段から、前記混合手段へと、前記燃焼手段に送られた燃料のうち余剰燃料を還流させる還流配管を更に備え、
前記ナノバブル水供給手段は、バブル平均径が２０〜６００ｎｍのバブルを約１．５×１０７個／ｍＬ以上含むナノバブル水を供給し、
前記燃焼手段は、前記混合手段から直接混合された燃料が圧送されるノズルであって、別途供給される酸素を含む気体に接触させ、燃焼させるノズルを含むことを特徴とする請求項９に記載のナノバブル燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超微細気泡等を含む水若しくは水溶液（以下総称して「ナノバブル水」という）を含有する燃料及びその燃料を製造する方法並びに製造装置、更に、そのような燃料を効率良く燃焼させるナノバブル燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油系液体燃料に水を添加し、これらを微粒子化して油中水滴型エマルションにしたエマルション燃料は燃焼排気ガス中の窒素酸化物やばいじんを低減し得ることは知られている。従来、このようなエマルション燃料を製造するためには石油系液体燃料油と水と界面活性剤等の乳化剤との混合液をスクリュー型の回転子を用いたミキサーや、高圧により狭い隙間を通すホモジナイザー、又は２枚の回転板の隙間を通すコロイドミル等の攪拌機で攪拌するか、或いは超音波攪拌機で攪拌する等の方法が用いられている。このような油中水滴型エマルション燃料は、燃焼の際、ミクロ爆発が油滴を細かくして油の表面積を広げ、これにより油と空気との接触面積を増大させクリーンな燃焼をさせる利点を有すると考えられている。
【０００３】
従来の燃料油エマルション化技術では、ミキサー等の攪拌機構を組み込む必要性から装置が大型になる、消費電力が大きい、或いは価格が高くなる等の欠点がある。エマルション燃料を調整後、バーナに供給して燃焼させるまでにある程度の時間を要する。それ故、最適の燃料油／水の割合を維持しつつ、エマルション燃料の粒子径の維持、即ち、安定性、或いは防錆面等への配慮が要求されるため、界面活性剤の添加が必要になる（例えば、特許文献１）。
【０００４】
界面活性剤を用いない例としては、電子水及び高調波還元水からなる機能水と燃料油とを撹拌混合してエマルション燃料を得る方法が開示されている（例えば、特許文献２）。しかしこのような機能水を製造するためには、特殊な装置が必要である。例えば、電子水は、水に高調波電圧を印加し、次いで炭素光を照射したものであり、高調波還元水は、水に高調波を付加し、炭素光照射し、更に炭素電極放電によるエネルギー印加されて炭素を溶け込ませたものである（例えば、特許文献２）。
【０００５】
一方、水にナノバブルを分散させたいわゆるナノバブル水が、機能を持った水として注目されている（例えば、特許文献３）。また、ナノバブル化された燃料が、好ましい燃焼特性を備えることも知られている（例えば、特許文献４）。
【特許文献１】特許第３７７６１８８号公報
【特許文献２】特開２００８−４５０２２号公報
【特許文献３】特開２００８−１０５３２７号公報
【特許文献４】特許第４２７４３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述するように、エマルション燃料は、優れた特性を備え得る燃料ではあるが、その製造には、界面活性剤の添加が必要であったり、高調波電圧の印加をする装置が必要であったりするため、コストがかかる等の問題点がある。また、機能水と呼ばれる水のうち、ナノバブル水の燃焼に与える効果は検討もされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の発明者らは、上述のような課題に鑑みて、ナノバブル水の可能性について鋭意研究をすることにより、所定の条件で製造されたナノバブル水は、容易に石油系液体燃料に混合されることを見出した。また、ナノバブル水を混合・分散させた燃料は、極めて燃焼効率が良いことを見出した。そこで、このようなナノバブル水を含む燃料を製造する方法及びその製造装置を提供する。また、ナノバブル水を含む燃料を効率よく燃焼させるナノバブル燃焼システムを提供する。
【０００８】
より具体的には、以下のようなものを提供することができる。
（１）５重量％から７０重量％のナノバブル水を含む石油系燃料からなるナノバブル燃料を提供することができる。
【０００９】
ここで、ナノバブル水とは、水若しくは水溶液をナノバブル化手段で処理したものを意味することができる。水は例えば水道水、井戸水、河川等から得られる天然の水を含んでよい。ナノバブルは超微細気泡等を意味してよく、このようなナノバブルを生成するものとして、ナノバブル化手段が挙げられる。超微細気泡等は、空気、酸素、窒素、水素等の少なくとも１種を含む気体を含む気体の泡を含んでよい。また、マトリックスとなる水とは異なる種類の物質（いわゆる標準状態で、気体、液体、又は固体の物質を含むことができる）を含んでいてもよい。従って、ナノバブルは単なる気泡や気体の泡だけでなく、マトリックスとなる分散媒又は溶媒とは異なる種類の材料からなる粒子（小さな粒を含んでよい）を含んでよい。このようなナノバブルは、例えば、特許文献４に記載されるようなナノバブル化手段を用いて生成することができる。例えば、ナノバブル化手段は、ノズルと加圧手段を含んでよい。該ノズルの噴出口径は０．１ｍｍから１ｍｍが好ましく、０．２ｍｍから０．５ｍｍがより好ましい。このノズルの噴出口から吐出圧力が１ＭＰａ以上、より好ましくは５ＭＰａ以上、さらに好ましくは７ＭＰａ以上である処理を含んでよい。また、ナノバブル発生メカニズムにおいて、特に圧力の上限はないが、製造装置の入手の容易さを考えると、４０ＭＰａ以下が好ましい。また、ナノバブル化手段は、ノズルから噴射されたもの（例えば、水等の流体）が衝突する壁を備えることが好ましい。ノズル先端からこの壁までの距離は、例えば、ノズルの噴出口径の５倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましいと考えられる。距離が長すぎると十分な衝突生じさせることが難しいので、同距離は、例えば、ノズルの噴出口径の１００倍以下が好ましく、５０倍以下がより好ましいと考えられる。例えば、同距離を１０倍〜１００倍の間に仮設定し、微調整により圧力等の他の条件に応じた距離とすることもできる。
【００１０】
ここで、「ナノバブル燃料」とは、ナノバブル水を含む燃料を意味してよい。特に、ナノバブル水と石油系燃料又は炭化水素系燃料を混合及び／又は分散させたものをいう。ナノバブル燃料に含まれるナノバブル水は、少なくとも５重量％以上が好ましく、より好ましくは、１０重量％以上であり、更に好ましくは１５重量％以上である。しかしながら、ナノバブル水が多すぎると燃焼を継続することが困難となるため、９５重量％以下が好ましく、より好ましくは、９０重量％以下であり、更に好ましくは８５重量％以下である。石油系燃料は、重油（Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油）、軽油、揮発油、その他の炭化水素等を含む油を含んでよい。特に、重油が価格上好ましい。
【００１１】
（２）前記ナノバブル水の少なくとも一部を平均粒径が０．４μｍ〜２μｍの微粒子として含むことを特徴とする上記（１）に記載のナノバブル燃料を提供することができる。
【００１２】
ナノバブル水と石油系燃料とを混合してナノバブル燃料が形成されるが、好ましくは、ナノバブル水は、燃料マトリックス中に微粒子として存在する。このナノバブル燃料からなる液滴は、例えば、ボイラーにおいては燃焼炉内の高温ガスによって加熱され、高温ガスと石油皮膜、石油皮膜と内部水粒子との間で急速な熱移動が起こり、その速度が十分大きな場合には、水粒子は燃料液滴の内部で沸点以上になって過熱状態になる。このようにして形成された過熱水は非常に不安定であるとともに、燃料との間に沸点差があるので、この過熱水が先に気化し一挙に膨張する。この際に燃料液滴は爆発的に破壊され、より微細な液滴となって燃焼室内の空気とよく混合されるため、燃焼が促進されるものと思われる。
【００１３】
特に、ベース燃料の動粘度が低い、水の混合比率が高い、水粒子径が大きい等の場合は、液滴の加熱によって内部の水がエマルション状態から分離して合体が進行し、この合体速度が十分速い場合は、気化が遅れて過熱状態に達し、その結果破裂音をともなって爆発し、蒸発を完了するという、いわゆるミクロ爆発が発生する。即ち、動粘度が低い軽油、動粘度がより高くなるＡ重油、Ｂ重油、Ｃ重油をベース燃料とした場合、水の混合比率は、動粘度が高いものほど高くなり、軽油の場合よりもＣ重油の場合の方が水の混合比率は高い方が、ミクロ爆発の発生という観点から好ましい。また、水粒子径も同様に、ベース燃料の動粘度が高くなるほど、大きい方が好ましい。しかしながら、水の混合比率が高すぎると、燃焼による熱量が十分でなくなるため、継続的に燃焼させることが難しくなる。そして、水粒子径が大き過ぎると、燃料マトリックス中に粒子として存在することが難しくなる。そのため、水の混合比率や水粒子径にも自ずと上限が存在する。
【００１４】
例えば、ベース燃料の動粘度（標準状態：５０℃、１気圧の大気中での値。以下同じ。）は、重油（Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油）により異なるが、１０〜３５０ｍｍ２／ｓ（ｃＳｔ，センチストークス）が好ましい。例えば、動粘度が、２ｍｍ２／ｓから２０ｍｍ２／ｓのＡ重油をベース燃料にする場合、球近似された水微粒子の粒径（図２２Ａ及び２２ＢにおけるＤに相当）については、平均粒径として、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、２μｍ以下が更に好ましい。また、水微粒子の平均粒径は、０・０１μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、０．４μｍ以上が更に好ましい。
【００１５】
（３）前記ナノバブル水は、バブル径が４０〜２００ｎｍのバブルを約１．５×１０７個／ｍＬ以上含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のナノバブル燃料を提供することができる。
【００１６】
ここで、ナノバブル水中のバブル平均径は、ベックマン・コールター株式会社製の精密粒度分布測定装置コールターＭｕｌｔｉｓｉｚｅｒ３を用いることにより計測可能である。この計測原理は、同社のホームページhttp://www.beckmancoulter.co.jp/product/product03/CoulterPrinciple.htmlに記載されている。測定の際の電解液には、ＩＳＯＴＯＮ  ＩＩを用い、アパチャー径は２０μｍのものを用いることができる。そして、粒度分布を個数基準又は体積基準で測定し、平均粒子径を求めることができる。ここで、平均粒子径とは、以下のように定義される。粒子径の分布を粒度（粒径）分布といい、粒径分布において、ある粒子径より大きい個数又は体積の総和が、全体の５０％を占める場合の粒子径が、個数平均粒径又は体積平均粒径Ｄ５０として定義できる。尚、本明細書では、ナノバブルの粒径を表すのに個数平均粒径（若しくは粒子径）を用いている。
【００１７】
また、一般に次のような粒子径の測定方法が知られている。散乱強度の揺らぎを利用した動的光散乱法では、測定可能な粒子径範囲が、０．００１４〜７μｍであり、サブミクロン以下の粒子径の測定が可能であり、溶媒の屈折率・粘度のみで測定でき、試料の影響因子がないという利点があるが、散乱強度に依存しやすく、ダストの影響がでやすいという欠点がある。回折散乱パターンを利用したレーザー回折法では、０．０１５〜３０００μｍの範囲の粒子径を測定可能であり、簡便で広い範囲の粒子径測定が可能という利点がある一方、粒子の屈折率が必要であり、サブミクロン粒子では測定精度が低く、測定する機種により粒子径計算方法が異なるという欠点を備えている。透過光量を利用した遠心沈降法では、＞０．０１〜３００μｍの範囲の粒子径が測定可能であり、安価で簡便という利点がある一方、分散媒に対して異なる粒子の密度、屈折率が必要であり、特に、サブミクロン粒子の測定時間が長くなり、また、吸光係数補正が必要という欠点を備える。同じく、透過光量を利用するＦＦＦ法では、０．０１〜１μｍの範囲の粒子径が測定可能であり、サブミクロン以下の粒子径の測定が可能であり、高い分解能を備えるという利点を有するが、粒子の密度及び屈折率が必要である。また、電流（電圧）値を利用する電気的検知体法は、０．１〜１０００μｍの範囲の粒子径が測定可能であり、粒子体積の測定が可能であるが、ダイナミックスレンジが狭い。ナノバブルの径の測定方法は、上述したものが使用できる。一方、以下の水粒子又は水微粒子の測定には、例えばレーザー回折法を用いることができる。その場合の平均粒子径の求め方は、前パラグラフと同様にして行うことができる。尚、本明細書において、水粒子又は水微粒子の粒子径については、レーザー回折法による体積平均粒径（若しくは粒子径）を用いている。
【００１８】
上述のナノバブル水からなる水粒子は、その径が、０．５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以下が好ましい。従って、ナノバブル水中のバブルの径（図２２Ａ及び２２Ｂにおけるｄに相当）は、水粒子の径よりも小さいことは当然であるが、そのバブルの安定性、ミクロ爆発の発生に及ぼす効果を考慮すると、バブルの径は、平均径として、例えば、水粒子の径の１／５以下が好ましく、１／１０以下が更に好ましく、１／２０以下が好ましい。より具体的に説明すれば、ナノバブル水中のバブルの径を平均径として測定し（＜ｄ＞）、エマルション燃料中の水微粒子の平均径を測定して（＜Ｄ＞）、これらの比Ｒを求めることにより規定することができる。例えば、ナノバブル水中のバブルの平均径が、０．０５μｍであったとし、水微粒子の平均径が、１μｍであったとすると、その比Ｒ＝＜ｄ＞／＜Ｄ＞＝０．０５／１＝１／２０となる。バブル径の下限は、０μｍより大きいことは明らかであるが、技術的に可能な限り小さいのが好ましいと考えらる。ナノバブルの個数又は量は、ナノバブルが維持できる限り特に上限は無いと考えられる。つまり、技術的に可能な限りナノバブルが存在することが好ましい。例えば、バブル径が２０〜６００ｎｍのバブルを１．０×１０７個／ｍＬ以上含むのが好ましく、１．０×１０８個／ｍＬ以上含むのがより好ましい。
【００１９】
（４）前記ナノバブル水のバブル中に水素が含まれることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のナノバブル燃料を提供することができる。
【００２０】
ナノバブル水のバブルは、溶存酸素のような溶存気体を含んでいると考えられる。このような気体を直接観測することは極めて難しいが、例えば、ナノバブル水製造工程において、特定の種類の気体を原水にバブリングさせることにより、バブルに含まれ得る気体の種類を特定することができる。後述する実施例では、水素をバブリングしており、バブルが水素を含んでいることは明らかと考えられる。例えば、水素を含むバブルの場合は、ナノバブル水からしていわゆる水素爆発を起こし、ミクロ爆発の威力をより強力にする機能を果たすものと考えられている。ここでバブリングとは、バブリングの材料である気体をバブリングの対象となる液体と接触させる方法の１つと考えることができる。例えば、対象の液体が存在するときに、その液体の下の方から若しくは液体中において、材料となる気体（例えば、酸素、水素等）を放出することであってよい。これにより、気体はある大きさの泡となり、当該液体中を浮力等により上昇等する。
【００２１】
上述するように、ナノバブル燃料は、ナノバブル水を水粒子として含むので、バーナー等から噴射されるナノバブル燃料の液滴（ノズルの形状や、噴射初速度等により所定の大きさになると考えられる）は、通常の石油系燃料（比重は、およそ０．８くらい）に比べると比重の大きい水（比重は、１）を含むので、このような所定の大きさの液滴の重量は、石油系燃料だけの場合よりも大きく（重く）なる。従って、噴射初速度が同じであれば、運動量は増加する重量分だけ大きくなり、液滴の周囲の空気に対する速度はより維持され易い。そのため、飛行する液滴の後方に回り込む空気の量（空気の巻き込み量とも言える）が大きくなり、液滴はより多くの空気（又は、それに含まれる酸素）と接触することになり、いわゆる空気取り込み量が多くなるとも言える。特に、ナノバブル燃料では、液滴あたりの石油系燃料の割合が低く、結果として、石油系燃料当たりの空気取り込み量が増大することになる。これにより、液滴に含まれる石油系燃料は、より効率的に空気（含まれる酸素）と接触することができ、より効率的な燃焼が実現できると考えられる。
【００２２】
ナノバブル燃料を用いると、火炎と液滴表面との間の燃料過度な領域において水蒸気濃度が増加すること、及び燃焼温度が低下すること、さらにミクロ爆発によって液滴が微細化され混合が促進される。そのため、排気吐煙の生成が減少させられる。燃焼器中のナノバブル燃料の火炎帯を支配している高温度（５００〜２０００℃）においては、燃料或いは生成カーボン粒子との直接的な反応による吐煙低減の可能性がある。このような高温時における炭素や炭化水素と水の反応は、次の３つの式（数１〜３）によって表すことができる。
【００２３】
【数１】
2012052094.tif 000003
【数２】
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【数３】
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【数４】
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【数５】
2012052094.tif 000007
【００２４】
このような反応の結果、吐煙の低減が得られたものと推察される。上記数１〜３の化学式は、何れも吸熱反応であり、高温で周りの熱エネルギーを利用して、右側に平衡が移動する。一方、数４及び数５の化学式は、発熱反応であり、燃焼を表しているが、燃焼温度の上昇に寄与する。これらの吸熱反応は、燃焼温度を低下して、ボイラー効率を上げる効果があると考えられる。また、一般に、遊離カーボンは完全に燃焼することが難しいが、［数１］の反応で炭素が燃焼し易くなり、［数３］の水性ガス反応が生じることにより、より完全な燃焼や、ボイラーの効率の向上に寄与するものと考えられる。
【００２５】
（５）水をナノバブル処理してナノバブル水を製造するナノバブル工程と、該ナノバブル水及び石油系燃料を混合するミキシング工程と、を含むナノバブル燃料の製造方法を提供することができる。
【００２６】
（６）前記ナノバブル工程は、原水に水素のバブリングを行う添加工程を含むことを特徴とする上記（５）に記載のナノバブル燃料の製造方法を提供することができる。
【００２７】
（７）前記ナノバブル工程は、５〜２０ＭＰａの圧力の液体を実質的に静的な原水中に噴射し、該噴射流を壁に衝突させる噴射・衝突工程を含むことを特徴とする上記（５）又は（６）に記載のナノバブル燃料の製造方法を提供することができる。
【００２８】
（８）ナノバブル水製造手段及び配水手段からなるナノバブル水供給装置と、石油系燃料の供給装置と、前記ナノバブル水及び前記石油系燃料を混合する混合装置と、を含むナノバブル燃料の製造装置を提供することができる。
【００２９】
（９）ナノバブル水供給手段と、石油系燃料の供給手段と、前記ナノバブル水及び前記石油系燃料を混合する混合手段と、混合されたナノバブル燃料を燃焼させる燃焼手段と、を含むナノバブル燃焼システムを提供することができる。
【００３０】
（１０）前記燃焼手段から、前記混合手段へと、前記燃焼手段に送られた燃料のうち余剰燃料を還流させる還流配管を更に備え、前記ナノバブル水供給手段は、バブル平均径が２０〜６００ｎｍのバブルを約１．５×１０７個／ｍＬ以上含むナノバブル水を供給し、前記燃焼手段は、前記混合手段から直接混合された燃料が圧送されるノズルであって、別途供給される酸素を含む気体に接触させ、燃焼させるノズルを含むことを特徴とする上記（９）に記載のナノバブル燃焼システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明のナノバブル燃料は、優れた燃焼特性を備え、燃焼効率に優れる。また、このようなナノバブル燃料を製造する方法は、大掛かりな設備を必要としない。また、そのようなナノバブル燃料を製造する装置は、比較的シンプルである。更に、そのような燃料を効率良く燃焼させるナノバブル燃焼システムにおいては、排気がクリーンであり、環境にやさしい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に関するナノバブル燃焼システムのブロック図である。
【図２】ナノバブル燃焼噴射システムの機能を説明するブロック図である。
【図３】別のナノバブル燃焼システムの機能を説明するブロック図である。
【図４】ナノバブル発生装置の一例を示す模式図である。
【図５】ナノバブル発生手段の別の一例を示す模式図である。
【図６】ナノバブル燃焼システムの燃焼用のノズル例を説明する断面図である。
【図７】ナノバブル燃焼システムの別の燃焼用のノズル例を説明する断面図である。
【図８】ナノバブル燃焼システムの更に別の燃焼用のノズル例を説明する断面図である。
【図９】ナノバブル燃焼システムの機能図及び運転タイムチャートである。
【図１０】燃焼熱量を実際に測定した別のナノバブル燃焼システムを説明するブロック図である。
【図１１】ナノバブル燃焼システムで燃焼させた試料の温度の経時変化を示すグラフである。
【図１２】本発明について、燃料試料をナノバブル燃焼システムで燃焼させた結果をまとめる表を図示する。
【図１３】ナノバブル燃料の実施例や比較例の構成及びそれらの削減率をまとめたものを示す。
【図１４】ナノバブル燃料の実施例や比較例の構成及びそれらの燃費をまとめたものを示す。
【図１５】実施例４及び比較例におけるＮＯｘ濃度、ＳＯｘ濃度、ＣＯ２濃度をまとめ、比較例からの変化率を示す。
【図１６】実験例１１−１４のそれぞれの条件、及び、燃焼結果をまとめた表である。
【図１７】図１６の蒸発倍数及びボイラ効率の計算方法を示す図である。
【図１８】ボイラーの排ガス中の酸素濃度（二酸化炭素濃度）と空気過剰率との関係を示したグラフである。
【図１９】ボイラーの空気過剰率と平均燃焼温度との関係を示したグラフである。
【図２０】ボイラーの理論熱効率に与える空気過剰率と排気ガス温度の影響を示したグラフである。
【図２１】本実施例で用いたナノバブル水と同じ条件で準備したナノバブル水のバブル粒径分布を示す図である。
【図２２Ａ】本実施例のナノバブル燃料の構造を模式的に図解する図である。
【図２２Ｂ】本実施例のナノバブル燃料を噴射したときの構造を模式的に図解する図である。
【図２３】本実施例において、燃焼時に生じたと考えられるミクロ爆発の様子を模式的に示す図である。
【図２４】本実施例において、燃焼時に生じたと考えられる空気巻き込み条件の様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に本発明の実施例について、図面に基づいてより詳しく説明するが、実施例は説明のための例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００３４】
図１は、本発明に関するナノバブル燃焼システムを図解する。このナノバブル燃焼システム１０は、ナノバブル発生手段１２を含むナノバブル部と、燃料を混合する混合手段１４を含む混合部と、この混合したナノバブル燃料を噴射して燃焼させる燃料噴射手段１６を含む燃焼部とから構成される。ナノバブル部においては、ナノバブル発生手段に原料となる水若しくは油等の液状の有機物を供給する原料供給手段１８と、この原料に添加される添加材料を供給する添加材料供給手段２０とを更に含む。この添加材料としては、例えば、グリセリン、アルコール等があり、発生したナノバブル中に含まれ、好ましい機能を発揮すると期待される。
【００３５】
混合部には、更に、例えば、重油、軽油、揮発油、その他の炭化水素、アルコール、アルデヒド、ケトン等を含む油成分を基油として供給する基油供給手段２２を含む。そして、燃焼部は、更に、燃焼に用いられる酸素や空気を供給する気体供給手段２４と、いわゆる空燃比を調整するＡＦＣ手段２６とを含む。
【００３６】
図２は、図１のナノバブル燃焼システムの作用動作を説明する。ナノバブル燃焼システム１０は、制御部３０を備え、ナノバブル発生部、混合部、及び燃焼部を統括的に制御する。所定の発生速度でナノバブルが発生させられた水を含む液体を製造するために所定の供給速度で原料となる水等を原料供給手段１８から、原料となる水等の容量を計測可能な容量計１８ａの測定値を利用して、ポンプ３２へ原料を供給する。ポンプ３２は、所定の圧力にこの原料を加圧し、ナノバブル装置１２ａへと原料を供給する。この所定の圧力は、少なくとも１ＭＰａであり、より好ましくは、５ＭＰａであり、さらに好ましくは、７ＭＰａ以上である。但し、通常の装置の耐圧性、ポンプの性能を考慮すれば、４０ＭＰａ以下が好ましい。この所定の圧力も、制御部３０からの制御信号で制御可能となっている。また、添加材料供給手段２０には、添加材料の容量を計測可能な計測装置２０ａが備えられ、やはり、ポンプ３４への供給量が制御部３０からの制御信号によりコントロールされる。ポンプ３４は、この添加材料を所定の圧力（例えば、０．１ＭＰａ以上から５ＭＰａ以下等）に加圧し、ナノバブル装置１２ａに供給される。このときの圧力も制御部３０からの制御信号によりコントロール可能となっている。
【００３７】
混合部は、ナノバブル装置１２ａから供給されるナノバブル液体と、基油供給手段２２の容量計２２ａの測定値に従って所定の量を供給されるポンプ３６により所定の圧力で供給される基油と、を合流点３８となる混合容器内で合流させ、ミキサー１４ａにより混合燃料とする。このミキサー１４ａとしては、例えば、日本フローコントロール株式会社スタティックミキサー型式０７０−３２７を用いることができる。このようにして生産された混合燃料は、そのまま（直接）燃焼手段１６ｂのノズル１６ａへと供給する。このとき、混合燃料貯留手段４０に一旦溜め均質化を図る等して、容量計４０ａの測定値に従い適量を燃焼手段１６ｂのノズル１６ａへと供給することもできる。尚、ミキサー１４ａへの供給量や混合燃料の燃焼手段１６ｂへの供給量は、制御部３０によりコントロールされる。燃焼部において、気体供給手段２４は、容量計２４ａの測定値によって気体（主に酸素又は空気）の流量をコントロールして、ＡＦＣ装置２６ａにおいて、空燃比を制御する。制御部３０は、容量計４０ａ及び容量計２４ａのそれぞれの測定値を比較して、それぞれの流量を適宜制御することができる。このようにして、ノズル１６ａから噴射された燃料及び空気等は火炎４２を上げて燃焼する。
【００３８】
図３に別のタイプのナノバブル燃焼システムを図解する。基本的には、上述するナノバブル燃焼噴射システムと共通するので、ここでは相違点のみ述べる。このユニット型ナノバブル燃焼噴射システム１０は、主にナノバブル機能水製造ユニット１０Ａ及び燃料噴射ユニット１０Ｂとから構成される。ナノバブル機能水製造ユニット１０Ａは、制御部３１ａと、原料となる水等の原料を供給する原料供給手段１８と、添加材料供給手段２０と、それらが送り込まれるナノバブル装置１２ａと、送り込むためのそれぞれのポンプ３２、３４からなり、更に、均一に混合するための混合層３５を備える。制御部３１ａは、後述する燃料噴射ユニット１０Ｂの制御を行う制御部３１ｂをも制御する。ナノバブル装置１２ａでは、この制御に基づいて、上述したような手順でナノバブル水が製造され、混合層３５に送られ撹拌混合される。この混合層３５は、ナノバブル水の量を計測可能な計測装置３５ａを備え、そこから燃料噴射ユニット１０Ｂへとナノバブル機能水を送る。
【００３９】
より具体的には、容量を計測可能な計測装置３５ｄを備えたナノバブル機能水の供給手段３５ｃに圧送される。燃料噴射ユニット１０Ｂは、主に制御部３１ｂ、ナノバブル機能水の供給手段３５ｃ、基油供給手段２２、ミキサー１４ａ、燃焼手段１６ｂ、気体供給手段２４、ＡＦＣ装置２６ａから構成される。この基本的な構成及び機能は、基本的に図２のシステムと同様であるので、ここでは説明を省略する。特に、図２のナノバブル燃焼システムとの違いは、燃焼手段１６ｂに（混合）燃料を送り込む配管４１ａだけでなく、燃焼手段１６ｂから一種のオーバーフローとなる燃料を戻す還流配管４１ｂを燃焼手段１６ｂから合流点３８へと接続していることである。従って、ノズル１６ａからの噴射燃料量を一定にするようにコントロールすることが可能な構成となっており、余分な燃料については合流点まで戻す機構を設けている。このような還流配管は、図２のナノバブル燃焼システムに適用できることは言うまでもない。
【００４０】
図４は、ナノバブル発生手段１２を図解する。特許第４２７４３２７号公報の図１４とほぼ同じ構成をしており、詳細は同公報を参照されたい。ナノバブル発生手段１２は、ナノバブル発生部１２０と、ポンプ１１０と、添加材料供給部２２０とから主に構成される。ナノバブル発生部１２０は、容器１３０、この容器１３０に蓄えられる水２００中に浸漬される中空部を備える円筒部１２２、その中に挿通されるロッド１２４、及び円筒部１２２に螺旋固定される複数のノズル１２６ａから１２６ｄによって構成される。それぞれのノズル１２６ａから１２６ｃは、ポンプ１１０からの配管１２８ａから１２８ｃに接続され、加圧された水の供給を受ける。一方、ノズル１２６ｄは、配管１４２を介して、ポンプ２２１から供給される気体や液体等を噴射する。このように処理された水の一部は、ポンプ１３２により配管１３３を介して、リザーバー槽１３６へ循環される。このリザーバー槽１３６からは、バルブ１３８を介して配管１１６を通ってポンプ１１０に水が供給される。生産されたナノバブル水は配管１３４を介して混合手段へと圧送される。
【００４１】
添加材料供給部２２０には、水素ガス、酸素ガス、空気等の気体や、アルコール、グリセリン等の有機化合物からなる液体を供給する供給装置２２２、及び、電気分解により酸素、水素、及びそれらの混合物を湿潤状態で提供可能な電気分解ガス供給装置２２６が、三方バルブ２２４により接続されている。このバルブ２２４により、以下に述べる電気分解ガス供給装置２２６から供給されるガス、又は供給装置２２２の気体若しくは液体のいずれかが、ポンプ２２１へと供給される。
【００４２】
電気分解ガス供給装置２２６は、電気分解槽２２８はアノード側タンク２３０のあるアノード室及びカソード側タンク２３２のあるカソード室に分離され、これらの２つのタンクをつなぐ塩橋２３４を除いて、それぞれ密閉されている。アノード側タンク２３０には約４重量％の水酸化カリウム水溶液が入れられ、アノード２３６が浸漬される。カソード側タンク２３２には、同様に約４重量％の水酸化カリウム水溶液が入れられ、カソード２３８が浸漬される。アノード２３６及びカソード２３８は、それぞれリード２４０及び２４２で電源２４４に接続されている。電気分解槽２２８は上述するように２つの室に密閉されているので、アノード２３６で発生する酸素ガス及びカソード２３８で発生する水素は、それぞれ、ストップバルブ２４６ｄ及び２４６ｃを有するパイプ２４６ｂ及び２４６ａを通りマスフローコントローラ２４６ｅに送られ、そこで両ガスの配合が所定の割合に調整されて、パイプ２４６へと送られる。このとき、オーバーフローするガスは、図示しない排気パイプにより系外に排気される。所定の割合に配合された混合ガスは、パイプ２４６により、水槽２４８内の多孔質体２４９に供給され、水槽２４６内の水（例えば純水）にバブリングされる。このようにして、混合ガスは水蒸気等により湿潤化される。水槽２４８は、密封されているので、パイプ２５０に三方バルブ２２４へと供給される。
【００４３】
図５は、図４のナノバブル発生部１２０とは別のタイプの実施例である。ナノバブル発生部３７０の模式断面図及び正面図から分かるように、より小型になっている。ナノバブル発生部３７０は、処理される原流体である水が通過する流路３７４を形成する透光性の円柱形状のブロック３７１と、該流路３７４内に開いた開口３７８を備えるノズル３７６と、このノズル３７６に対向する位置に、開口３７８から噴射された噴射流３７８ａが衝突する凸部３８０を先端に備える衝突部材３７９と、から主に構成される。流路３７４は、ブロック３７１内に設けられた断面ドーム状の円環部３７３により形成される。ブロック３７１の背面には、ノズル３７６を固定し上記円環部３７３を閉じるバックアップ部材３７２が備えられる。ノズル３７６は、ブロック３７１及びバックアップ部材３７２に対して、Ｏリング３８３及び３８４によりシールされる。ノズル３７６の背後には供給管３７７が備えられ、噴射する水等の液体３７７ａを供給する。これらのノズル３７６のうち少なくとも１つを、口径がより大きいものとし、別の加圧手段であるポンプから噴射用の水を供給するようにしてもよい。
【００４４】
上記衝突部材３７９は、先端に凸部３８０を備え、後端に回転のためのヘッド部３８１を備える。この衝突部材３７９は、上記ブロック３７１に固定されたナットのように雌ネジを備える移動機構３８２に、螺合する雄ネジを備え、ヘッド部３８１の回転により、ノズル３７６の開口３７８との間の距離を調整することができる。円錐形状（又はコーン形状）の凸部３８０の先端は、尖っていてもよく、平坦でもよく、凹部を備えてもよい。噴射流３７８ａに高速せん断を生じさせるためには、尖っている方が好ましい。平坦では噴射流が広がり、凹部では噴射流の一部逆流が生じると考えられる。また、中心からずれた場合は、これらの効果が非対称となり易い。また、凸部３８０の円錐角（Ｃｏｎｅ  ａｎｇｌｅ）αは、所定の範囲内であることが好ましい。例えば、直円錐の場合、円錐角αは、６０度以上が好ましい。また、円錐角αは、９０度以下が好ましい。開口３７８と凸部３８０との間の距離を小さくすると、衝撃が強くなり、逆に、大きくすると、衝撃が弱くなる。従って、簡易的にはノズル３７６から気泡（白濁）が出ている場合は、ナノレベルになっておらず、逆に気泡が見えない（透明）状態になる場合はナノレベルであると目視で確認でき、処理後に液体の物性を計測した結果（例えばＯＲＰ）によってその距離を調整することが好ましい。
【００４５】
流路３７４には、原流体としての水３８６ａを供給する供給管３８６と、処理された原流体としての水を系外３８５ａに取出すための排出管３８５が接続される。流路３７４は、正面図において破線で表されているが、一周することなく原流体は、これら供給管３８６及び排出管３８５から流入し排出される。図４のナノバブル発生部１２０に比べ、流路を円環状とすることにより、小型化することができる。また、透光性の材料（例えば、透明ガラスやポリカーボネート）で構成されているので、開口３７８と凸部３８０との間の距離を視認しながら調整することができる。噴射流３７８ａは圧力差で加速されるため、凸部３８０に衝突させる方がこの圧力差をより活用し易い。ここで、ノズル３７６が４個の例が示されているが、１個以上でもよく、６個でもよい。並べることが可能である限りは、数は限られるものではない。
【００４６】
図６は、燃焼手段１６ｂとして備えられるノズル１６ａを主に断面で図解する。図６（ａ）は、全体断面図であり、図６（ｂ）から図６（ｄ）は各部材の部分断面図であり、図６（ｅ）は、一部透過的に内部構造を示す部分側面図である。ノズル１６ａは、中心に空洞５１を備える円柱形状をした本体部５０と、この本体部５０の先頭に取り付けられるヘッド部５２と、前記空洞５１内に挿通されて混合燃料を通す燃料管５４と、この燃料管５４と接続され前記ヘッド部５２内に配置される噴射管５６とから主に構成される。本体部５０には、軸方向に２箇所、空気若しくは酸素ガス等を噴射するノズル１６ａを円筒の周方向に均等に４箇所取り付けるノズル位置があり、それぞれ、ノズル５８ａから５８ｄ及び６２ａから６２ｄが螺合される。これらのノズル５８ａから５８ｄ及び６２ａから６２ｄには、軸中心に空気等が通過する空洞５９ａから５９ｄ及び６３ａから６３ｄが設けられ（図６（ｂ）参照）、それぞれＡＦＣ装置２６ａから供給される空気等を通過させ、ノズル先端の開口より、前記空洞５１内であって、前記燃料管５４の外側に噴射する。図６（ｃ）は、これらノズルのうち右手のノズル５８ｄのみを例として示した拡大断面図である。ノズル５８ｄの先端は内径がｄの円形に開口し、径方向の深さがＤである空洞５１に空気等を噴射する。この燃料管５４は、後方が通路５５に通ずる空孔６４ａを軸方向に開放して中心軸にそって備える保持部材６４により前記空洞５１内に固定され、前方をやはり管路に通ずる空孔６６ａを軸方向に開放して中心軸にそって備える保持部材６６により前記空洞５１内に固定される。これらの保持部材６４及び６６は、外周面に雄螺旋を備えて前記空洞５１内にねじ込まれて固定される。保持部材６４は、前記空洞５１に対応する空洞を備えないため、前記本体部５０の後端へは、この空洞５１は開放されていない。従って、吹き込まれた空気等は、前方へ移動する。一方、前方の保持部材６６には、対応する４つの空洞６８ａから６８ｄが軸方向に通じるように備えられる（図６（ｄ）参照）。これらの空洞６８ａから６８ｄは、周方向に等間隔に設けられるが、軸方向にはやや傾斜して設けられる。このため、この空洞６８ａから６８ｄを通過する空気等は、円筒軸に対して回転しつつヘッド部５２に備えられる円筒形の空洞５３へと移動する。
【００４７】
本体部５０内に備えられる燃料管５４には、通路５５が備えられ、ノズル１６ａの後端から混合燃料貯留手段４０よって供給される混合燃料を、保持部材６４のノズル１６ａの空孔６４ａ及び６６ａを介して先端へと通過させる。ヘッド部５２は、テーパ状に縮径する先端部分を備え、内側に通路５５に通じる通路５７を軸心に沿って備える噴射管５６を備える。噴射管５６の外周には、軸心に対して回転してノズル１６ａ先端へと移動する空気等を通過させる空洞５３が備えられる。前記テーパ状に縮径する先端部分に対応するように内部の通路５７及び空洞５３もその径方向の大きさを小さくしながら先端に円形の開口を備える。
【００４８】
図７は、ノズル１６ａの改良された実施例を部分断面図で示す。ヘッド部５２は、噴射管５６を備え、その通路５７は、同径部５７ａ、縮径部５７ｂ、細孔部５７ｃ、そして先端部５７ｄを備える。細孔部５７ｃには、セラミックリング７０が中央に両端が開放されて細孔部５７ｃと通じる空孔７０ａを備えて、圧入される。このようなセラミックリングとしては、例えば、アルミナリングが好適に用いられる。
【００４９】
図８は、更に別のノズル８０の部分断面模式図である。中空な円筒８２の中に、中空の円筒８４が入った二重構造となっており、中円筒の軸方向孔は、ナノバブル燃料等の油を通すことができる。一方、外円筒８２と内円筒８４との間には、空気が通ることのできる殻空孔８８が設けられ、外円筒８２の側壁に開けられた空気穴９０を通してエアが圧送される。このようにして燃料及び空気が混ざった混合物がノズル開口９２から噴射され、その噴霧に火をつけることにより、燃焼をさせることができる。
【００５０】
図９は、図１及び図２若しくは図３に示されるナノバブル燃焼噴射システム１０の機能図及び運転タイムチャートを示す。制御部３０に相当するコントローラ３０ａは、基油を供給する基油供給手段２２の給油機能２２ｂ、空気等を供給する気体供給手段２４の給気機能２４ｂ、原料供給手段１８の給水機能１８ｂ、及び、添加材料供給手段２０の補給機能２０ｂを制御するだけでなく、燃料噴射手段１６に付属する燃焼手段の着火／洗浄機能４２ａをも制御する。具体的には、下の運転タイムチャートにおいて、スイッチを入れた起動時に、給油機能２２ｂ及び給気機能２４ｂが起動する。そして、着火機能４２ａがＯＮになり燃焼が始まるこのとき、補充機能２０ｂが機能を開始し、ナノバブル装置１２ａへ添加材料等の供給を開始する。着火機能４２ａをＯＮにした後、ｔ１秒後、給水機能１８ｂがＯＮとなり、ナノバブル水が製造される。このナノバブル水は、混合手段１４により混合されて、燃料噴射手段１６に供給される。この状態で、燃料噴射手段１６における燃焼が定常状態となり、必要な熱量や温度を系外に提供する。そして、このナノバブル燃焼システムを停止するために、停止ボタンが押されると、給水機能１８ｂ及び補充機能２０ｂがしばらくしてＯＦＦにされ、洗浄機能がＯＮとなってノズル１６ａの洗浄が行われ、洗浄終了後にＯＦＦにされる。そして、停止ボタンが押されてから、ｔ２秒後に、給油機能２２ｂ及び給気機能２４ｂがＯＦＦにされる。これにより、ナノバブル燃焼システムの運転が終了する。
【００５１】
（実施例）
図１から図９及び図１０に示すような装置により、ナノバブル水の製造、ナノバブル燃料（ナノバブル水と油の混合物）、及び、このような燃料の燃焼実験を行った。
【００５２】
（ナノバブル水の製造）
通常の水道水を用い、以下のような条件でナノバブル水を製造した。
ノズル径：  ０．３ｍｍ
ノズル長さ：  ３．０ｍｍ
ノズル先端と壁との距離：  ６．０ｍｍ    （距離／径＝６／０．３＝２０）
噴射液体の圧力：  ８ＭＰａ
添加された材料：  水素ガス（約０．１ＭＰａ）
処理時間：  水１Ｌにつき１分間の処理
ナノバブルの平均径：  約８０ｎｍ
バブルの総数量：  約１．５×１０７個／ｍＬ
【００５３】
（混合燃料の製造）
図１等に示すナノバブル発生手段１２、水／油の原料供給手段１８、添加材料供給手段２０、基油供給手段２２、混合手段１４により、ナノバブル水を含む混合燃料（ナノバブル燃料）を製造した。具体的には、Ａ重油、ナノバブル水、及び、その他の添加物（例：グリセリン）を加圧手段によりミキサーへ供給し、図１３に示すような燃料を準備した。これらの混合燃料は、貯留されることなく直接燃焼手段１６ｂに圧送され、燃焼実験に用いられた。具体的には、（比較例１）Ａ重油のみ、（比較例２）Ａ重油に水道水を等量加えたもの、（実施例１）Ａ重油にナノバブル水を等量加えたもの、（実施例２〜５）Ａ重油にナノバブル水及びグリセリンを図１３に示すような量だけ加えたものである。この図１３において、実施例２〜５及び比較例１については、各種燃料を燃焼させたときの発生熱量を計測したが、その実験装置のより具体的な例を図１０において示す。この実験燃焼システム５１０は、油（主に重油）に混合添加する水系又は有機系成分を製造する混合添加物製造ユニット（又は混合水ユニット）５０１及び燃焼熱量計測系５０３からなる。混合添加物製造ユニット５０１は、ナノバブル発生装置５１２、ナノバブル水タンク５１３、撹拌タンク５３８、そして、混合水タンク５２５から主に構成される。まず、工業用水の源の水源５１８から、循環方式のナノバブル水タンク５１３に原料水を送り、ナノバブル水タンク５１３からナノバブル発生装置５１２に原料水を送って、そこでナノバブルが発生させられる。ここからナノバブルを比較的多く含む水がナノバブル水タンク５１３に戻され、その水が混合された原料水が更にナノバブル発生装置５１２に送られて、これを数回循環させることによりナノバブルが濃縮された水（以下、「ナノバブル水」）がナノバブル水タンク５１３に貯められる。このナノバブル水は、撹拌タンク５３８に送られ、また、グリセリンタンク５２０からポンプ５２１によりグリセリンが同様に撹拌タンク５３８に送られて、混合水を構成する。この混合水は、ポンプ５２１により、混合水タンク５２５に送られる。
【００５４】
燃焼熱量計測系５０３は、ミキサー５１４及びサブタンク５４０からなる燃料装置ユニットと、吸収式冷温水機パッケージ５４５とから主に構成される。混合添加物製造ユニット５０１で製造されたナノバブル混合水は、流量計５４３を介して、ミキサー５１４に送られ、Ａ重油も同様にＡ重油サービスタンク５２２から流量計５４１を介して、ミキサー５１４に送られ、それぞれが混合される。この混合燃料は、サブタンク５４０に貯められ、電磁弁５４７に従って、ノズルに送られて燃焼される。比較例１として、Ａ重油のみを燃焼する場合は、Ａ重油サービスタンク５２２から流量計５４１を介して、電磁弁５４５の開閉に従って、燃焼器に送られ燃焼される。この実験で用いられた燃焼熱量計測ユニット（吸収式冷温水機パッケージ）５４９は、フタバ産業株式会社製の６７０ＲＴ吸収式冷温水機である。
【００５５】
図１１及び図１２では、実施例１（Ａ重油及びナノバブル水を５０対５０に混合：丸）並びに比較例１（Ａ重油のみ：菱形）及び２（Ａ重油及び水道水を５０対５０に混合：正方形）を燃焼させた結果をグラフ及び表で表現する。この燃焼実験は、初期の予熱時には、ナノバブル水等の供給を停止し、Ａ重油のみを供給して燃焼させ、９００℃にして、火炎を安定させた。９００℃をスタート温度とし、１分ごとの温度変化を記録した。１５分まで記録を取った。図１２にある表の温度をプロットしたものが図１１である。図１１から分かるように何れの試料においても、温度は時間と共に上昇する。しかしながら、比較例１（菱形）は急激に温度が高くなり、約５分後にほぼ一定の温度（およそ９９０℃）になる。実施例１（丸）においては、５分後にほぼ一定の温度（およそ９４０℃）になるが、比較例１（正方形）については、１５分間温度が少しずつ上昇し、９２０℃に達した。いずれの時間帯でも、温度は、比較例１＞実施例１＞比較例２であった。実施例１及び比較例２の場合は、重油とほぼ等量の水や機能水が混合されており、水の蒸発潜熱による温度低下が考えられるところ、実施例１では、約５分まで最も高い温度近くになり、極めて効率のよい燃焼が行われたことがわかる。比較例２では、なかなか温度が上昇しなかった。すなわち、ナノバブル処理を行った水を混合した燃料の優位性が明らかとなった。
【００５６】
図１３には、実施例１から５及び比較例１及び２の構成をまとめる。また、実施例２から４及び比較例１について、比較例１に比べＡ重油の削減率を求めた結果を示す。また、図１４においては、実施例２から４及び比較例１について、上記削減率を求めるにあたって行った測定結果の詳細を示す。吸収式冷温水機（図１０）では、単位時間あたり所定流量で送られるナノバブル燃料等を燃焼させ、その結果生じた熱量で上昇した水温差を計測して吸収された単位時間あたりの熱量を計測した。例えば、比較例１では、冷却水の入口温度と出口温度の温度差の平均値が１．７７℃であり、その流量は９０００Ｌ／分であったので、吸収された熱量は、次のように求めることができる。
【００５７】
2.78×10-4(h/s)×4.186(J/cal)×1(cal/g/℃)×1.77(℃)×9×106(g/min)×60(min)
＝1.112×103kWh
【００５８】
各実施例において、温度差は、大体２℃であった。各実施例において、燃費は、Ａ重油の消費量によって求めた。例えば、実施例２のＡ重油５０重量％、ナノバブル水２８重量％、グリセリン７重量％のものでは、８２Ｌ／ｈ×０．８５（比重）÷１．２０２×１０３＝０．０５８ｋｇ／ｋｗｈであった。また、実施例３のＡ重油６５重量％、ナノバブル水２１重量％、グリセリン１４重量％のものでは、８７Ｌ／ｈ×０．８５（比重）÷１．２９１７×１０３＝０．０５７ｋｇ／ｋｗｈであった。そして、実施例４のＡ重油５０重量％、ナノバブル水３７．５重量％、グリセリン１２．５重量％のものでは、７７Ｌ／ｈ×０．８５（比重）÷１．２１１×１０３＝０．０５４ｋｇ／ｋｗｈであった。また、比較例１のＡ重油１００重量％のもので９８Ｌ／ｈ×０．８５（比重）÷１．１１２×１０３＝０．０７５ｋｇ／ｋｗｈであった。そして、実施例２から４の燃費から計算したＡ重油の削減率は、それぞれ、２３．０％、２４．５％、２８．５％、３３．３％であった（図１３）。このように、ナノバブル水を組合せたナノバブル燃料では、発熱効率が極めてよいことが分かった。
【００５９】
また、実施例４において、燃焼実験時のＮＯｘやＳＯｘや二酸化炭素の濃度を測定し、燃焼の環境性評価も行った。その結果を図１５に示す。この図から明らかなように、ナノバブル燃料は、ＮＯｘやＳＯｘや二酸化炭素の濃度が、Ａ重油のみからなる燃焼に比べ、大きく低下しており、環境性に優れる。
【００６０】
図１６には、実験例１１から１４の燃料構成をまとめる。実験例１１は、図１３の比較例１に対応し、Ａ重油が１００％のものである。実験例１２、１３、１４は、それぞれ、１４．６／（１４．６＋３．９）＝７９％、１４．５／（１４．５＋３．７）＝８０％、１４．０／（１４．０＋４．６）＝７５％、の割合でＡ重油にナノバブル水が混合された実施例である。これらを、上述と同じように燃焼し、更に詳細にその効果を調べた。ボイラーから出る吹出口温度及び蒸気温度は、Ａ重油１００％の実験例１１が１３９℃及び１６５℃と一番高く、他の実験例よりも高温の蒸気が排出されたことがわかる。これは、実際に燃えるのがＡ重油であり、その絶対量が他の実験例１２−１４よりも多いので当然であるが、これらのナノバブル燃料は、ボイラーの燃焼実験で、Ａ重油単独よりも最高温度は低いものの（例えば、図１１のＡ重油：ＮＢ機能水等を参照）、取り出し得るエネルギーがそれ程低くなく、効率のよいボイラー燃焼が達成できたことを表している。このことは、排気温度及びＣＯやＮＯｘの量、過剰の酸素量からも読み取ることができる。即ち、実験例１１では、過剰酸素の量が６．８５％と他の実験例１２−１４よりもかなり多く、ＣＯやＮＯｘも多い。ＣＯが多いということは、不完全燃焼の割合が高かったことを窺がわせ、それは過剰酸素量が多いにもかかわらず、ナノバブル燃料に比較して、燃焼が悪化していることが確認できる。
【００６１】
排気温度は、実験例１１が突出して高く、空気過剰率の高い燃焼が行われたと考えられる。Ａ重油の燃焼はエマルション燃焼に比べ局所的な高温燃焼が発生しやすいので、ＮＯｘ濃度が実験例１２−１４よりもかなり高くなったと考えられる。逆に実験例１２−１４では、空気過剰率が小さい（燃焼温度は高い）にも関わらず排気温度が低くなり、効率よく熱エネルギーを取り出すことができたと考えられる。これらをあわせて考えれば、少なくともこのボイラーにより、燃焼を行う限りは、ナノバブル燃料を使用した方が、より効率よく熱エネルギーを取り出せたことが分かる。このことは、ボイラー効率及び蒸発倍数のデータからも分かり、実験例１２−１４では、効率が殆ど限界に近く、また、上限値が１６となる蒸発倍数もほぼ上限値近傍となっており、極めて効率がよいことがわかる。図１７には、これらのボイラー効率及び蒸発倍数の求め方を示すので、参照にされたい。
【００６２】
この実験で用いたボイラーの作動状況は、排ガス中の酸素濃度（又は、二酸化炭素濃度）を測定することにより、判断することができる。図１８は、Ａ重油に対する排ガス中の酸素濃度（二酸化炭素濃度）と空気過剰率との関係を示すグラフである。この図から分るように空気過乗率は、排気ガス中の酸素か二酸化炭素の濃度を測定すれば必然的に定まる。ボイラーの空気過剰率が判明すれば、このボイラーの作動状況が推定できる。空気過剰率を下げることによってボイラー効率を向上することが可能である。
【００６３】
図１９は、Ａ重油に対する空気過剰率と平均燃焼温度との関係を示したグラフである。空気過剰率を１に近づける事によって燃焼温度(断熱火炎温度)が高くなる事が分かる。即ち、空気過剰率を望ましくは、１．１以下に、更に好ましくは１．０５以下に、最も好ましくは１．０にすると効率は最大化する。尚、１より小さな空気過剰率は、不完全燃焼を意味し、ここでは考慮しない。一方、熱機関の理論熱効率は、熱機関が作動する最高温度（燃焼温度）と最低温度（排気温度）によって決まる。これを数式で表すと次のようになる。
理論熱効率  η＝(Ｔ２−Ｔ１)／Ｔ２
（但し、Ｔ２：最高温度、  Ｔ１：最低温度である）
【００６４】
図２０は、Ａ重油を燃料としたときボイラーの理論熱効率に与える空気過剰率と排気ガス温度の影響を示すグラフである。この図から分かるように空気過剰率を小さくすると理論熱効率は向上し、排気ガス温度を下げると理論熱効率は、更に上昇する。更に図１９から、燃料の供給量を減少しても空気過剰率が同じであれば炉内の燃焼温度は同じになることが分かる。炉内の温度が同じであればボイラーの仕事量もほぼ同じになる。しかし、ボイラーの仕事量（Ｑ３）と排気ガスが持ち去る熱量（Ｑ１）の和が投入熱量（Ｑ２）を上回ることは出来ない（つまり、Ｑ２＞Ｑ１＋Ｑ３でなければならない）ので、燃料供給量を無限に絞ることは出来ない。また、燃料の供給量を絞ることにより炉内のガス流速が低下し炉内のある断面を通過する熱エネルギーの時間当たりの流量は低下するので、燃焼ガスからボイラーの電熱面へ伝わる熱量が同じと仮定すれば、燃料を少なくした方が排気温度が低下することになる。図２０には、排気ガス温度の変化によって理論熱効率がどのように変化するかを示している。つまりある程度燃料を絞って空気過剰率を小さくしてボイラーを運転するのが、燃料経済的に有利になる。また、ナノバブル燃料の特質である低空気過剰率運転を利用することで、更なる燃費の低減が可能となる。
【００６５】
即ち、燃焼炉内の空気過剰率は、炉内の平均空気過剰率は投入燃料量と投入空気量の平均値で決まるが、燃焼領域での空気過剰率は燃料噴霧束内に巻き込まれる空気量と噴霧燃料量によって決まることになる。燃料噴霧束内に巻き込まれる空気の量は噴霧される燃料の運動量に比例して増加する。ナノバブル燃料の場合、噴霧燃料量は「燃料＋水」となるので単位燃料量当たりの空気巻き込み量は増加する。例えば、水を２０％添加したナノバブル燃料では、単位燃料当たりの空気増加量は１／０．８＝１．２５、つまり２５％となる。これにより燃焼領域の空気過剰率は大幅に増加し燃焼が改善され、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークなどの排出量が低減できる。ナノバブル燃料では、このようなメカニズムで炉内の平均空気過剰率を低減してもクリーンな燃焼を実現できる。
【００６６】
これを別様に説明すれば以下の通りである。燃焼炉内の平均的な空気過剰率は、投入燃料量及び投入空気量により決定されるが、局所的な燃焼領域での空気過剰率は燃料噴霧束内の燃料微粒子に巻き込まれる相対的な空気量により決定される。各燃料微粒子に巻き込まれる相対的な空気量は、各燃料微粒子の運動量に比例して増加する。逆に言えば、その燃料微粒子が同じ運動量を持つのであれば、燃料微粒子内の成分にかかわらず、同じ空気量を巻き込むと考えられる。ナノバブル燃料の場合、各燃料微粒子中には可燃性の燃料だけでなく燃焼しない水も含まれるので、単位燃料（可燃性の燃料）当たりの空気巻き込み量は増加する（例えば、ナノバブル水を２０％添加したナノバブル燃料では、巻き込まれる空気量が同じで、燃料微粒子内の可燃性の燃料が８０％に減少するので、１／０．８＝１．２５となり、２５％増加）。これにより、燃焼領域の空気過剰率は大幅に増加し燃焼が改善される。例えば、ナノバブル燃料では、局所的な最高温度が低下するので、ＮＯｘの発生が抑制され、完全な燃焼が得られやすくなるので、ＣＯやスモーク（炭素の微粒子等）が減少する。一般に、燃焼炉内の空気過剰率を低減すると、酸素不足で不完全燃焼が生じ易いとも考えられるが、ナノバブル燃料では、このようなメカニズムで平均的な空気過剰率が低くても、局所的な燃焼領域での巻き込み空気量を増加させているので、燃焼領域の空気過剰率が高まり、図１９の燃焼温度と空気過剰率のグラフの関係から局所的な最高温度を制御しつつ、クリーンな燃焼をより完全に近く実現できる。
【００６７】
具体的には、ボイラー効率を向上させる為に燃料を絞ったり、空気過剰率を小さくして、一方で使用環境に応じてＮＯｘ、ＣＯやスモークを調整して運転する必要がある。例えば、必要とされるボイラー運転の環境条件（例えば、ボイラーの設置場所に基づく環境基準に基づいて、ＮＯｘは１００ｐｐ以下、ＣＯは４０ｐｐｍ以下等）に合わせて空気過剰率を設定する。また、同様に、スモークは、ボッシュ式スモークメータで１０％以下となるように設定を行う。上述したように空気過剰率については、ボイラー運転の炉内の平均空気過剰率と燃焼領域における空気過剰率とを分けて考える必要がある。燃焼領域における空気過剰率とＮＯｘ等との関係は、空気過剰率が大きくなると、ＮＯｘ等は低くなる。逆に空気過剰率が小さくなると、ＮＯｘ等は高くなる。例えば、ＮＯｘについては、燃料種による窒素の含有量と燃焼時の火炎温度が高温になるほど高くなることが知られている。ここで、１００％のＡ重油を使用したボイラーの運転条件と比較するとナノバブル燃料の特徴としてナノバブル水を含んでいる分だけ、燃焼領域における空気過剰率を低くすることなく、ボイラー運転の炉内の平均過剰率を低く抑え、かつ排気温度を下げる運転ができるのである。１００％のＡ重油を使用した場合、例えば、使用環境条件に合わせるためには、空気過剰率は１．４〜１．５の範囲で調整されており、そのためにボイラー効率も一般的には８０％台で運転されている。その理由は、上述したようなメカニズムが有効でない為に低空気過剰率運転を行うことができないものと考えられる。
このことは、図１６の実験例１１と実験例１２〜１４とを比較するとＣＯ２の測定結果と図１８の空気過剰率λと排ガス中のＣＯ２濃度のグラフから、実験例１１の空気過剰率は約１．４であり、実験例１２〜１４の空気過剰率は約１．２であることが求まり、そのことを実証していることが分かる。
【００６８】
図２１は、上記実施例と同じ方法で製造したナノバブル水の中のナノバブルの粒径分布を表すグラフである。横軸は、ナノバブルの粒子径を取り、縦軸はその粒子径を持つナノバブルの個数を表す。この図からわかるように、粒子径がより小さい０．４μｍあたりに高いピークを備え、これらがナノバブル燃料の中の水粒子中に含まれるナノバブルの径であろうと考えられるこのようなナノバブルは、以下に述べるようなメカニズムで、ボイラーの全体の低空気過剰率運転を行うことが可能となり、ボイラー効率を押し上げたものと考えられる。
【００６９】
図２２Ａは、ナノバブル水と石油系燃料を混合して形成したナノバブル燃料の模式図を示す。全体マトリックスＭは、Ａ重油からなる石油系燃料マトリックスＭであり、その中にＮＢ水粒子Ｗが多く存在する。上述するように、ＮＢ水粒子（水微粒子）Ｗにおいて、その個数平均径Ｄは、上述（［００１４］）した範囲が好ましい。また、ＮＢ水粒子（水微粒子）Ｗ内のナノバブルＢの個数平均径ｄは、上述（［００１７］）した範囲が好ましい。通常は、このようなエマルション状態を形成するには、特殊な混合手段や分散手段を必要とすると考えられるが、ナノバブル水を用いた場合は、通常の撹拌で、容易にこのようなエマルション状態を達成できる。これは、ＮＢ水粒子の中に存在するナノバブルＢが、ＮＢ水粒子Ｗを容易に分散させる効果（例えば、界面活性剤的な効果）があり、混合は、通常の撹拌、又は、静的な撹拌として知られるインラインミキサーを用いて行うことができる。尚、通常の水道水を同様な通常の撹拌機やインラインミキサーで混合したところ、安定的なエマルション燃料を得ることはできなかった。
【００７０】
図２２Ｂは、図２２Ａで示すエマルション燃料を実際に燃焼システムで噴射したときの状態を模式的に示す。エマルション燃料は、微粒子となり、太線矢印のようにノズルから噴射される。エマルション燃料粒子は、上述するように、初期速度をより維持し易い。速度が、速いと周りの空気がその粒子周囲を回るときの速度も当然速くなり、エマルション燃料粒子が接する単位時間当たりの空気の量は大きくなる。即ち、過剰な空気とより接触しやすくなる。エマルション燃料粒子の中には、ＮＢ水粒子Ｗがあり、上述したようにミクロ爆発をより容易に引き起こすことができると考えられる。
【００７１】
このようにして、ナノバブル水であるから簡単に得られたエマルション状態のナノバブル燃料は、図２３に示すようなメカニズムで燃焼していると考えられる。即ち、ナノバブル水は、燃料マトリックス中に微粒子として存在し、例えば、ボイラーにおいては燃焼用の炉内の高温ガスによって加熱され、高温ガスと石油皮膜、石油皮膜と内部水粒子との間で急速な熱移動が起こり、沸点以上になって過熱状態になる。このようにして形成された過熱水は非常に不安定であるとともに、燃料との間に沸点差があるので、この過熱水が先に気化し一挙に膨張する（図２３の左側及び中央の模式図を参照）。この際に燃料液滴は爆発的に破壊され、より微細な液滴となって燃焼室内の空気とよく混合されるため、燃焼が促進されるものと思われる（図２３の右側の模式図を参照）。
【００７２】
また、バーナー等から噴射されるナノバブル燃料の液滴は、通常の石油系燃料に比べると比重の大きい水を含むので、所定の大きさの液滴の重量は大きくなり、噴射初速度が同じであれば、運動量は増加する重量分だけ大きくなる。液滴は周囲の空気を押し分けて進むので、高速度で移動すると、後方に回り込む空気の量がより大きくなる。そのため、燃料近辺の局所的な（燃焼領域における）過剰空気（酸素）の量が多くなり、比較的容易に燃焼できると考えられる。以上述べてきたことは、実験データに基づく推論に過ぎず、実際に生じている現象を保証するものではなく、また、そのようなメカニズム自体が本願の発明の対象という訳ではない。本願の発明は、実験に基づいて、ナノバブル水中には、微小な溶存水素（又は酸素等）を含んでいると推定し、それを利用して、いわば三階層構造となるナノバブル燃料を提供しようとするものである。このような三階層構造は、これまで開示も示唆もされておらず、正しく、新規であり、容易に想到することもできないナノバブル燃料といえる。しかしながら、このナノバブル燃料は、必ずしも図２２Ａの模式図のような構造を取らなければならないわけではなく、上述するような条件で、ナノバブル水を製造し、それをＡ重油等の石油系燃料に所定量だけ混合することにより、得られるものであればよい。但し、模式図通りの構造であり、その解析の通りに機能を発揮してもよいことは言うまでもない。このような模式図による構造は明確であり、この構造自体を発明として把握できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
１０  ナノバブル燃焼システム、        １２  ナノバブル発生手段、
１２ａ  ナノバブル装置、      １４  混合手段、      １４ａ  ミキサー、
１６  燃料噴射手段、      １６ａ  ノズル、      １８  原料供給手段、
２０  添加材料供給手段、      ２２  基油供給手段、      ２４  気体供給手段、
３０  制御部、      ３２、３４、３６、１３２、２２１  ポンプ、
４０  混合燃料貯留手段、      ５０  本体部、      ５１、５３、  空洞、
５４  燃料管、      ５６  噴射管、      １２０  ナノバブル発生部、
１３０  容器、      １３６  リザーバー槽、      ２２０  添加材料供給部
【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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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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