説明

エマルション燃料の製造方法

【課題】 燃費向上の効果が高く、分散安定性に優れたエマルション燃料を製造する製造方法を提供する。
【解決手段】 5〜50重量%の水又は植物油と燃料油とを攪拌機1により混合するエマルション燃料の製造方法である。この攪拌機1は、相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材2及び第二部材3と、これら部材2,3対向面間において形成された流路と、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部6,7と、突出部6,7相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみ82,83とを備える。近接するロータ側くぼみ82とステータ側くぼみ83とは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
燃費の向上や排気ガス中における有害物質の発生低減のため、重油、軽油、灯油等の燃料油と水とを混合して製造されるエマルション燃料が種々検討されている。エマルション燃料には、水中に油粒子が分散したO/W(Oil in Water)型と、油中に水粒子が分散したW/O(Water in Oil)型の2タイプがある。水と油とは、通常は2相に分離してしまうものであるから、エマルション化して分散安定性を図るべく、安定剤あるいは乳化剤(界面活性剤等)を添加し且つ攪拌機等を用いて充分に混合する必要がある。特許文献1には、所定のHLB値に設定された界面活性剤を乳化剤とするエマルション燃料の製造方法が記載されている。この特許文献1では、さらにエマルション燃料の製造装置として、外縁部に複数の棒状翼を備えた回転子と、円筒形の網状スクリーンとを備えた回転子とを一体にして回転するように構成された装置が記載されている(特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開平2003−113385号公報(請求項1、請求項3、図2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
上述した従来の製造装置により製造されたエマルション燃料は、燃費向上の効果が充分に得られなかった。また、上記の従来技術では、界面活性剤のHLB値を考慮することにより分散安定化を図ろうと試みているものの、実際には分散安定性に乏しかった。そのため、上記従来技術では、撹拌装置を燃料タンクと燃焼装置との間に直結するインライン方式とすることにより、撹拌直後の燃料を燃焼装置に供給する方式とし、長時間放置に伴う油水分離現象を防止することが必要とされていた(特許文献1の[0019]参照)。
【0004】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃費向上の効果が高く、分散安定性に優れたエマルション燃料を製造する製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、5〜50重量%の水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法であって、前記攪拌機は、混合される流体の流入口及び混合後の流体の排出口と、所定の回転軸まわりに相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材の対向面間において形成され、前記流入口から前記排出口にまで連通する流路と、前記回転軸と同軸で前記第一部材及び第二部材に設けられ、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部と、前記突出部相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみと、を備えると共に、近接する前記第一部材のくぼみと前記第二部材のくぼみとは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している攪拌機であることを特徴とする。
【0006】
上記の攪拌機により撹拌すると、突出部により流体が激しく撹拌されるとともに、流体は互いに相対回転する第一部材と第二部材との間で剪断力を与えられる。また、流路の一部を構成するくぼみ内において渦が発生して混合効率を高める。さらに、流路を通過する課程において、流体は、遠心力の作用により、軸方向位置が重なり且つ互いに向き合って開放しているくぼみ相互間を移送されることとなる。よって、くぼみ内で発生した渦同士が衝突するとともに、くぼみ間移送による位置交換や上記剪断力などが複合的に作用して、極めて効率よく混合される。このような攪拌機により、5〜50重量%の水又は植物油と燃料油とが安定的に且つ微細に分散し、結果として燃費にすぐれたエマルション燃料を製造することができる。
なお、上記「5〜50重量%」の「重量%」とは、水又は植物油と燃料油とを混合した混合液(添加剤を入れる場合は、当該添加剤の重量を含む)に対する水又は植物油の重量%である。
【0007】
前記くぼみは、前記第一及び第二部材上において、周方向の所定間隔おきに配置されているのが好ましい。この場合、円環状の突出部に複数のくぼみを効率的に配置することができる。よって、多くのくぼみを設けることが可能となり、流体の流れをより複雑なものとすることができる。
【0008】
前記くぼみは球状であるのが好ましい。球状とすることで、くぼみ内で渦の発生が促進され、また、球状とすることで曲面が滑らかとなり、流体の滞留を抑制することができるから、混合効率が高まる。
【0009】
また、前記攪拌機の前記突出部の外面は、軸方向に平行な円周面と、径方向に平行な径方向平面から成り、前記第一部材の前記対向面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成され、前記第二部材の前記対向面は、前記第一部材の前記対向面に対応して、全体的に円錐凹形状を有し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成されており、前記くぼみは、前記突出部の前記円周面と前記径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略1/4球状とするのが好ましい。
【0010】
この場合、形状を互いに対応させた階段状の円錐凸面と円錐凹面と組み合わせることにより、相対回転する第一部材と第二部材との間の隙間を小さくしつつ複数の段差を経由する複雑な流路を形成することができる。また、各階段状の突出部のそれぞれにくぼみを設けることにより、径方向及び軸方向の異なる位置に多くのくぼみを効率的に配置することができる。また、くぼみを突出部の円周面と径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略1/4球状とすることにより、くぼみが径方向及び軸方向の両方に開放された形状となる。よって、第一部材のくぼみと第二部材のくぼみとが、同一の軸方向位置及び径方向位置で重なり合い且つ軸方向及び径方向に互いに向き合って開放した状態となるから、両くぼみ間相互の流体移送を多頻度かつ複雑に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【0011】
以上に記載したように、本発明の製造方法によれば、相対回転する各部材により生ずる剪断力、くぼみ内で発生した渦同士の衝突、くぼみ間移送による位置交換などを複合的に作用させることができ、5〜50重量%の水又は植物油と燃料油とを安定して分散させて燃費にすぐれたエマルション燃料を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の製造方法に使用される攪拌機1の一実施形態におけるミキシングヘッドh部分を示す断面図である。この攪拌機1は、頂点が下向きの(上下逆さの)略円錐状である第一部材としてのロータ2と、略円錐皿状である第二部材としてのステータ3とを有している。そして、ロータ2の外面である略円錐凸面とステータ3の内面である略円錐凹面とが突き合わされた状態となっている。
【0013】
ロータ2は、所定隙間を介してステータ3の内部に収容されており、またロータ2とステータ3とは互いに同軸で設けられている。ロータ2やステータ3の中心軸と同軸で配置されたドライブシャフト10は、その下端においてロータ2とボルト11により締結されている。ドライブシャフト10には図1において図示しないモータ12(図5参照)が連結されており、このモータ12によりドライブシャフト10及びロータ2が回転するようになっている。ステータ3には、その上面を塞ぐ様に設けられた円環状のフランジ13と、該フランジ13からドライブシャフト10と同軸で延在する円筒部14とが一体化されており、円筒部14とドライブシャフト10との間には軸受15が介装されている。軸受15により、ドライブシャフト10は円筒部14に対して回動自在に支持されている。またフランジ13は、軸方向に延びる3本のタイバー16(図5参照。図1においては1本のみ図示される。)によりモータ12の本体側に固定されている(図5参照)。以上のような構成により、ロータ2とステータ3との相対回転が可能とされている。このようにミキシングヘッドh部分は、分解及び洗浄がしやすい構造となっている。
【0014】
ステータ3の底部には、混合される流体を流入させるための流入口4が一つ設けられている。流入口4は、ステータ3を貫通する円形の孔であり、ステータ3と同軸で設けられている。またステータ3の上部側面には、混合後の流体を排出するための排出口5が設けられている。排出口5はステータ3を貫通しており、且つ周方向の所定間隔おきに複数設けられている(図5参照)。
【0015】
略円錐形状のロータ2の外面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ同軸で階段状に配列された複数のロータ側突出部6及びロータ側くぼみ82により形成されている。ロータ側突出部6は、所定径の円環状に配列されている。以下、同一の軸方向位置に配置され円環状の配列する複数の突出部の突出端を結ぶ円の直径を「突出部の径」と表現するものとする。各軸方向位置に配列されたロータ側突出部6は、その径が大きいものほど軸方向上方に配置される。本実施形態では、同一の軸方向位置に配列されたロータ側突出部6の群は4群とされているが、2群以上であれば好ましい。
【0016】
略円錐皿形状のステータ3の内面は、全体的に円錐凹形状を成し且つ同軸で階段状に配列された複数のステータ側突出部7及びステータ側くぼみ83により形成されている。ステータ側突出部7も、ロータ側突出部6と同様、その径が大きくなるほど軸方向上方に配置される。本実施形態では、同一の軸方向位置に配置されたステータ側突出部7は5群とされているが、3群以上であれば好ましい。またステータ側突出部7の群は、ロータ側突出部6の群の数よりも1つ多い数とすると、ロータ側突出部6とステータ側突出部7とを交互に組み合わせやすくなるので好ましい。
【0017】
周方向に隣り合ったロータ側突出部6の相互間にロータ側くぼみ82が配置されており、周方向に隣り合ったステータ側突出部7の相互間にステータ側くぼみ83が配置されている。これら突出部6,7は、円環状に突出する円環状部(図示しない)の周方向所定間隔おきにくぼみを形成することにより容易に作製することができる。
【0018】
ロータ側突出部6のそれぞれの外面は、軸方向に平行なロータ側円周面6aと、径方向に平行なロータ側径方向平面6bとから成る。また、ステータ側突出部7のそれぞれの外面は、軸方向に平行なステータ側円周面7aと、径方向に平行なステータ側径方向平面7bとから成る。
【0019】
このように、第一部材であるロータ2と第二部材であるステータ3との対向面は、同軸でかつ階段状に連続して配列された複数の突出部6,7とくぼみ82,83とにより形成されている。
そして、ロータ2の対向面とステータ3の対向面とは、互いに対応した形状とされている。本実施形態では、全てのロータ側突出部6及びステータ側突出部7において、ロータ側円周面6aの軸方向幅(高さ)とステータ側円周面7a軸方向幅(高さ)とが同一とされ、且つ、ロータ側径方向平面6bの径方向幅とステータ側径方向平面7bの径方向幅とが略同一(ロータ側のほうが径方向間隔kの分だけ小さい)とされている。そして、4つのロータ側突出部6の群を径の小さい方から順に61,62,63,64とし、5つのステータ側突出部7の群を径の小さい方から順に71,72,73,74,75すると、ロータ側突出部6の群のうち最小径である第一ロータ側突出部61のロータ側円周面6aの外径d61は、ステータ側突出部7の群のうち2番目に径の小さい第二ステータ側突出部72のステータ側円周面7aの内径d72と略同一(外径d61よりも内径d72のほうが径方向間隔kの分だけ大きい)とされている。同様に、ロータ側突出部6の群のロータ側円周面6aの外径は、該ロータ側突出部6と同一の軸方向位置で重なり合うステータ側突出部7の群のステータ側円周面7aの内径と略同一となっている。そして、ロータ側突出部6のロータ側径方向平面6bと、該ロータ側突出部6と同一の径方向位置で重なり合うステータ側突出部7のステータ側径方向平面7bとは、距離dの軸方向間隔を介して対向している。かかる構成により、ロータ側突出部6とステータ側突出部7との対向間隔を小さくして、ロータ2とステータ3との対向面間に形成された流路を流れる流体に強い剪断力を与えることを可能としている。
【0020】
各突出部6、7のそれぞれには、該突出部6,7の相互間に設けられ流体の流路の一部を構成するくぼみとして、ロータ側くぼみ82及びステータ側くぼみ83が設けられている。図2は、ロータ2をステータ3との対向面側(図1における下側)から見た場合におけるロータ側くぼみ82の配列を示す平面図であり、図3は、ステータ3をロータ2との対向面側(図1における上側)から見た場合におけるステータ側くぼみ83の配列を示す平面図である。
【0021】
図2に示すように、ロータ側くぼみ82は、各ロータ側突出部6の相互間に周方向の所定間隔おきに設けられている。ロータ側くぼみ82の大きさ(球面の直径)及び間隔は略同一とされているので、径方向外側にいくほど多くのロータ側くぼみ82が設けられている。例えば、ロータ側突出部6の群うち最も小径の第一ロータ側突出部61の相互間には6つのロータ側くぼみ82が設けられているのに対して、2番目に小径の第二ロータ側突出部62には9つのロータ側くぼみ82が設けられている。
同様に、図3に示すように、ステータ側くぼみ83は、各ステータ側突出部7の相互間に周方向の所定間隔おきに設けられている。ステータ側くぼみ83の大きさ(球面の直径)及び間隔は略同一とされているので、径方向外側にいくほど多くのステータ側くぼみ83が設けられている。例えば、ステータ側突出部7の群うち最も小径の第一ステータ側突出部71の相互間には3つのステータ側くぼみ83が設けられているのに対して、2番目に小径の第二ステータ側突出部72の相互間には6つのロータ側くぼみ82が設けられている。
このように、各ロータ側突出部6及びステータ側突出部7の相互間にくぼみ82,83を周方向の所定間隔おきに設けることにより、多数のくぼみ82,83を効率よく配置することができ、より複雑な撹拌が可能となる。
【0022】
各くぼみ8の形状は、いずれも同一直径の球状とされている。球状とすることで、くぼみ内で渦の発生が促進され、また、球状とすることで曲面が滑らかとなり、流体の滞留を抑制することができるから、混合効率が高まる。
また軸方向各位置のロータ側突出部6及びステータ側突出部7の相互間において、各くぼみ82,83は周方向に略等間隔おきに設けられている。このようにすると、円環状に配列された突出部6,7の相互間にくぼみ82,83を効率的に配列することができる。よって、比較的多くの突出部6,7と比較的多くのくぼみ82,83を設けることが出来、流体の流れをより複雑なものとすることができる。
【0023】
ロータ側突出部6相互間に設けられた各ロータ側くぼみ82は、ロータ側円周面6aとロータ側径方向平面6bとが交差する仮想線である交線6c上に中心を有する略1/4球状とされている。したがってロータ側くぼみ82は、ロータ側円周面6aを略半円状に切り欠くと同時に、ロータ側径方向平面6bも略半円状に切り欠く。同様に、ステータ側突出部7に設けられた各ステータ側くぼみ83は、ステータ側円周面7aとステータ側径方向平面7bとが交差する仮想線である交線7c上に中心を有する略1/4球状とされている。したがってステータ側くぼみ83は、ステータ側円周面7aを略半周状に切り欠くと同時に、ステータ側径方向平面7bも略半周状に切り欠く。したがって、図1及び図4に示すように、近接するロータ側くぼみ82とステータ側くぼみ83とは、同一の軸方向位置及び径方向位置で重なり合い且つ軸方向及び径方向に互いに向き合って開放している状態となっている。なお図4は、図2と図3を重ねることによりロータ側くぼみ82とステータ側くぼみ83との相対関係を示した図である。ただし、ロータ2とステータ3とは相対回転するから、図4の相対関係は、ロータ2の回転に伴い所定の周期ごとに表れる。
【0024】
以上のような構成を有する攪拌機1を使用する場合は、図5に示すように、攪拌機1のミキシングヘッドh部分を混合したい液体20内に浸し、モータ12を動作させ、ドライブシャフト10を介してロータ2を回転させる。そうすると、回転しないステータ3に対してロータ2が回転し、ロータ2とステータ3とが相対回転することとなる。このように、本実施形態の攪拌機1は、バッチ処理用に用いられる。
【0025】
ロータ2が回転すると、遠心ポンプの原理により液体20が流入口4から吸い込まれ、ロータ2とステータ3との対向面間に形成された流路を経由した後、排出口5から排出される。図1の破線矢印に示すように、流入口4から排出口5に至る過程において、液体20は、ロータ側くぼみ82とステータ側くぼみ83との間で交互に移送される。即ち、あるロータ側くぼみ82に流入した液体20は、遠心力の作用により、該くぼみ82と軸方向位置が等しいステータ側くぼみ83に移送され、更に、該くぼみ83と径方向位置が等しいロータ側くぼみ82に移送される。そして以後、このくぼみ間移送が適宜繰り返される。なお、図1の破線矢印は、理解しやすいように単純化した平面的な矢印としたが、実際には、ロータ2とステータ3とは相対回転しているので、ロータ側くぼみ82とステータ側くぼみ83との間の移送は回転運動を伴いつつ行われる。そして、個々のくぼみ82,83内では渦が発生するとともに、これらの渦同士が激しくぶつかり合うことになる。
なお、ポンプ機能を高めるため、ロータ2の外周面にインペラ(羽根)を追加してもよい。
【0026】
また、ロータ2とステータ3との間の軸方向間隔dや径方向間隔kは比較的狭く設定されているので、液体20に強い剪断力が作用する。なお、図2に示すように、ロータ2のロータ側円周面6aやロータ側径方向平面6bには、くぼみの無い非くぼみ部21が存在し、同様にステータ3のステータ側円周面7aやステータ側径方向平面7bにも、くぼみの無い非くぼみ部21が存在する。これら非くぼみ部21の存在により、液体20は軸方向間隔dや径方向間隔kの隙間により生ずる剪断力を受けることになる。
【0027】
なお、軸方向間隔dや径方向間隔kは、混合したい液体20の粘度や溶質の粒径等、諸般の事情を考慮して適宜設定される。ただし通常は、軸方向間隔dや径方向間隔kを比較的狭くするほうが液体20に作用する剪断力が高まり好ましい。したがって軸方向間隔dは、2mm以下とするのが好ましく、1mm以下とするのが更に好ましい。ただし軸方向間隔dを狭くしすぎると液体20の流れが円滑で無くなる場合があり、またロータ2やステータ3に過度の寸法精度が求められコストが高くなる場合があるから、軸方向間隔dは0.1mm以上とするのが好ましく、0.2mm以上とするのが更に好ましく、0.4mm以上とするのが更に好ましい。
径方向間隔kの好ましい範囲については、上記軸方向間隔dの好ましい範囲と同様である。そして、ロータ2とステータ3との隙間距離の最小値の好ましい範囲についても、上記軸方向間隔dの好ましい範囲と同じである。
なお、ロータ2とステータ3との軸方向相対位置を可変とすることにより軸方向間隔dを調整できる調整機構を備えた攪拌機1としてもよい。
【0028】
本発明の製造方法では、燃料油に5〜50重量%の水又は植物油を混合する。燃料油としては、ガソリン、航空用ガソリン、自動車用ガソリン、工業用ガソリン、灯油、軽油、重油(A重油、B重油、C重油)等が例示される。水としては、イオン交換水、水道水、蒸留水などを適宜用いることが出来る。植物油としては、例えば、なたね油などを用いることが出来る。後述の実験に示すように、本発明では特に、A重油に5〜50重量%の水を混合した場合に特に良好な結果が得られた。
【0029】
本発明の製造方法では、水又は植物油と燃料油の他に、界面活性剤等の添加剤を用いると、分散安定性が高まり好ましい。添加剤としては、例えばW/O(Water in Oil)型エマルションを形成する界面活性剤を用いることが出来る。
【0030】
本発明の製造方法により作製されたエマルション燃料の燃費を確認することにより、本発明の効果を確認した。
実施例の攪拌機としては、株式会社エーテックジャパンが製造販売している流体分割混合ミキサーを用いた。
そして、A重油(密度0.86g/ml)を入れたタンク内で上記攪拌機を用いて撹拌しながら水道水と添加剤とを投入することによりエマルション燃料を作製した。そして、このエマルション燃料を用いてディーゼルエンジンで発電機を一定時間回して、その間に消費されたエマルション燃料の量を測定した。実験中は、発電量に一定の負荷を与えて、エンジンの出力及び発電量を常に一定となるようにした。なお、かかる測定にあたっては、まず測定前にエンジンを所定時間回しておき、エンジンの回転が安定した時点で測定を開始した。
水道水の配合比率を適宜変化させて測定したところ、水道水の割合を5〜50重量%とした場合に、特に燃費が良好であった。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の一実施形態である製造方法に用いた攪拌機のミキシングヘッド部分の断面図である。
【図2】図1の攪拌機のロータ部分のくぼみの配列を示す平面図である。
【図3】図1の攪拌機のステータ部分のくぼみの配列を示す平面図である。
【図4】図2と図3を重ね合わせることにより、ロータ部分のくぼみとステータ部分のくぼみとの相対的位置関係を示した図である。
【図5】図1の攪拌機を用いて液体を攪拌している様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0032】
1 攪拌機
2 ロータ(第一部材)
3 ステータ(第二部材)
4 流入口
5 排出口
6,61〜64 ロータ側突出部(突出部)
6a ロータ側円周面(軸方向に平行な円周面)
6b ロータ側径方向平面(径方向に平行な径方向平面)
7,71〜75 ステータ側突出部(突出部)
7a ステータ側円周面(軸方向に平行な円周面)
7b ステータ側径方向平面(径方向に平行な径方向平面)
d 軸方向間隔
82 ロータ側くぼみ(くぼみ)
83 ステータ側くぼみ(くぼみ)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
5〜50重量%の水又は植物油と燃料油とを攪拌機により混合するエマルション燃料の製造方法であって、
前記攪拌機は、
混合される流体の流入口及び混合後の流体の排出口と、
所定の回転軸まわりに相対回転が可能で且つ所定間隔を介して対向する第一部材及び第二部材と、
前記第一部材及び第二部材の対向面間において形成され、前記流入口から前記排出口にまで連通する流路と、
前記回転軸と同軸で前記第一部材及び第二部材に設けられ、前記対向面の一部を形成する円環状に配列された突出部と、
前記突出部相互間に設けられ、前記流路の一部を構成するくぼみと、
を備えると共に、
近接する前記第一部材のくぼみと前記第二部材のくぼみとは、同一の軸方向位置で重なり合い且つ互いに向き合って開放している攪拌機であることを特徴とするエマルション燃料の製造方法。
【請求項2】
前記くぼみは、前記第一及び第二部材上において、周方向の所定間隔おきに配置されていることを特徴とする請求項1に記載のエマルション燃料の製造方法。
【請求項3】
前記くぼみは球状であることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のエマルション燃料の製造方法。
【請求項4】
前記突出部の外面は、軸方向に平行な円周面と、径方向に平行な径方向平面から成り、
前記第一部材の前記対向面は、全体的に円錐凸形状を成し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成され、
前記第二部材の前記対向面は、前記第一部材の前記対向面に対応して、全体的に円錐凹形状を有し且つ階段状に配列された複数の前記突出部及び前記くぼみにより形成されており、
前記くぼみは、前記突出部の前記円周面と前記径方向平面とが交差する交線上に中心を有する略1/4球状であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のエマルション燃料の製造方法。

【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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【公開番号】特開2006−8852(P2006−8852A)
【公開日】平成18年1月12日(2006.1.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−188122(P2004−188122)
【出願日】平成16年6月25日(2004.6.25)
【出願人】(301003285)株式会社エーテックジャパン (2)
【出願人】(504245952)
【出願人】(501286266)あさひ化工機株式会社 (1)
【出願人】(000192534)神戸船渠工業株式会社 (2)
【Fターム(参考)】