(57)【要約】【課題】噴射する燃料油等の流体をより微粒化させ、ひいてはガス状の流体を噴射可能なマイクロノズルを提供する。【解決手段】マイクロノズル１０の表裏面を貫通する流路の上流側を第１多孔質体１１の空孔によって形成された第１流路２０によって構成し、下流側を第２多孔質体１４の空孔によって形成された第１流路２０よりも流路径が小さい第２流路２１によって構成することにより、第１多孔質体１１に電圧を印加することによって第１流路２０を通過する燃料油を急速に昇温することができ、また、第１流路２０によって加熱されて表面張力が小さい燃料油のみが第２流路２１を通過することとなる。したがって、マイクロノズル１０から噴射された燃料油は、流路径の小さな第２流路２１を通過していること、燃料油表面張力が小さいことにより液滴が小さなものとなり、燃料油をガス状またはガス状に近い状態で噴射することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を調節するバルブの下流側に設置されて、表裏面を貫通する流路を通過する流体の昇温を行うマイクロノズルであって、
前記流路は、
通過する流体を加熱する第１多孔質体の空孔によって形成された第１流路と、
該第１流路の下流側に配置され、前記第１多孔質体の空孔よりも空孔径が小さい第２多孔質体の空孔によって形成された第２流路とによって構成されていることを特徴とするマイクロノズル。
【請求項２】
前記第２流路は、液状の流体に対して前記第２流路の圧力損失が流体に印加される圧力以上であり、かつ、流体の分子の運動エネルギーがガス状と同等のエネルギーを持つ場合に通過できる形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロノズル。
【請求項３】
前記第１多孔質体は、前記第１流路を通過する流体を超臨界状態となる温度近傍まで加熱し、
前記第２流路は、ガス状となった前記流体を通過させることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロノズル。
【請求項４】
前記第１多孔質体は、電圧が印加されることによって発熱し、前記第１流路を通過する流体を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載のマイクロノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料等の流体を噴射する噴射装置の先端に取り付けられて、通過する流体を昇温するマイクロノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料噴射装置から霧状の燃料油を内燃機関の燃焼室内に噴射して、燃料油の燃焼効率の向上を図ることが行われてきた。
また燃料油を霧状にするために、燃料噴射装置の先端に複数の微小な孔が設けられたマイクロノズルを取り付けて、燃料油をマイクロノズルに設けられた貫通孔を通過させていた。
このマイクロノズルとして、たとえば特開２０００−２４９０２６号公報に記載のものがある。
これは、孔の開いた複数枚のプレートを、それぞれの孔の位置を少しずらして重ね合わせることによって、プレートの重ね方向に対してずれた軸芯を有する貫通孔を形成したものである。
このプレートに設けた孔のずれ量によって、噴霧の方向を設定している。
また、貫通孔の内周壁には突起が形成され、燃料油の噴射時にこの突起を乱流形成の起点とすることができ、燃料噴射装置から燃料油の霧状噴射を行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−２４９０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、噴射される微粒化された燃料油は、数ミクロン〜数１０ミクロン径の液滴の集合体であり、内燃機関の燃焼室内において着火後の火炎伝播によって液滴は加熱され、気化することにより燃焼する。
また燃料油の液滴が小さいほど全体の表面積が増大するので、燃焼の反応速度は速くなり、不完全燃焼が抑制され、燃焼効率が向上する。
液滴が大きければ気化に至るまでの時間が長くなるので、噴射された燃料全体が燃焼することができず未燃焼分が残り易くなってしまう。
このように、燃料噴射装置から噴射される燃料油を微粒化させるほど内燃機関の燃焼効率の向上を図ることができる。
したがって、内燃機関の燃焼効率の向上を図るため、噴射する燃料油をさらに微粒化させる必要があるといった問題があった。
【０００４】
そこで本発明はこのような問題点に鑑み、噴射する燃料油等の流体をより微粒化させ、ひいてはガス状の流体を噴射可能なマイクロノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、流体の流量を調節するバルブの下流側に設置されて、表裏面を貫通する流路を通過する流体の昇温を行うマイクロノズルであって、流体が通過する流路を、第１多孔質体の空孔によって形成された第１流路と、該第１流路の下流側に配置され、第１多孔質体の空孔よりも空孔径が小さい第２多孔質体の空孔によって形成された第２流路とによって構成し、第１多孔質体を加熱することによって流路を通過する流体を加熱するものとした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、流体が通過する流路を第１流路と、第１流路より流路径が小さい第２流路とによって構成したので、第１多孔質体が発熱することによって第１流路を通過する流体を急速に昇温することができ、また、第１流路によって加熱されて表面張力が小さい流体のみが第２流路を通過することとなる。したがって、マイクロノズルを通過した流体は、流路径の小さな第２流路を通過していること、流体の表面張力が小さいことにより、流体の液滴が小さなものとなり、流体をガス状またはガス状に近い状態で噴射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１に、マイクロノズルを燃料噴射弁に適用した場合の燃料噴射弁先端部断面を示す。
図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料油が、燃料噴射弁１に供給される。
燃料噴射弁１は、特に燃料噴射部分において筐体２によって外周が囲まれている。
筐体２の内部には、燃料ポンプによって加圧された燃料油を蓄える油圧室８が形成され、筐体２の底壁（図１中の下方側）には油圧室８と連通する流量調節孔９が形成されている。
【０００８】
油圧室８には図１中の上下方向に移動可能な針弁３が備えられ、上下に移動させることにより針弁３の先端によって流量調節孔９を塞いだり、開口させたりすることができる。
この針弁３を上下に移動させることによって、油圧室８内から流量調節孔９を通って噴出される燃料油の流量を制御することができる。
筐体２の燃料噴射側には、流量調節孔９を覆うようにして保持構造体４が取り付けられる。
【０００９】
保持構造体４は、流量調節孔９の開口と対向する位置にマイクロノズル１０を保持している。
なお保持構造体４は、セラミクスや石英などの熱伝導率の小さい絶縁物６を介してマイクロノズル１０を保持している。
またマイクロノズル１０から伸びる２本の引き出し電極７ａ、７ｂは、保持構造体４および絶縁物６の内部を通って外部まで伸びている。
引き出し電極７ａ、７ｂに電圧を印加することによってマイクロノズル１０が発熱し、マイクロノズル１０に設けられた流路を通過する燃料油を昇温することができる、
このように、油圧室８に供給された燃料油は、針弁３の動作によって流量調節孔９から噴出される流量が制御され、流量調節孔９から噴出された燃料油はマイクロノズル１０によって昇温されて燃焼室内（図１中における燃料噴射弁１の下方側）に噴射される。
【００１０】
図２の（ａ）は、マイクロノズルを示す斜視図であり、図２の（ｂ）はマイクロノズルの上面図である。また図３は、図２の（ｂ）におけるＡ−Ａ部断面図である。
なおマイクロノズル１０は、図２の（ａ）、図２の（ｂ）、図３中の上側面が流量調節孔９と対向し、下側面が内燃機関の燃焼室内側に向いている。
マイクロノズル１０は、ステンレスなどの金属からなる第１多孔質体１１を主要構成要素としている。
また第１多孔質体１１の他の材料としてはシリコンなどの半導体などを用いることもできる。
【００１１】
内燃機関の燃料噴射側に配置される第２多孔質体１４に、第１多孔質体１１が載置されて、両者が接合されている。
第１多孔質体１１は、図３中の上側から見たときに、第２多孔質体１４よりも所定の大きさだけ小さく形成されている。
第１多孔質体１１および第２多孔質体１４は、それぞれ多数の空孔を有し、第２多孔質体１４の空孔径は第１多孔質体１１の空孔径よりも小さくなっている。
第２多孔質体１４は、金属あるいはセラミクス、半導体などを用いることができる。
【００１２】
第１多孔質体１１の上面（図２の（ａ）中の上側面）および側面は、第２多孔質体１４上に載置された絶縁体１５によって囲まれている。
絶縁体１５は例えばセラミクスなどで形成される。
絶縁体１５の上面（図２の（ａ）中の上側面）において対向する辺の外周縁近傍には、金属電極１２ａ、１２ｂが備えられている。
金属電極１２ａ、１２ｂは特に図３に示すように断面がＴ字形状に形成され、Ｔ字形状縦方向の辺に対応する部位が、絶縁体１５に形成されたスリット１５ａ、１５ｂに差し込まれる。
【００１３】
また金属電極１２ａ、１２ｂの差込側の先端部と、第１多孔質体１１とは接触し、金属電極１２ａ、１２ｂには、それぞれ引き出し電極７ａ、７ｂが接続（図３参照）されている。
したがって金属電極１２ａ、１２ｂに電圧を印加すると、第１多孔質体１１に電流が流れて第１多孔質体１１をジュール加熱することができる。
絶縁体１５の上面（図２の（ａ）中の上側面）には、窓１３が形成されている。
【００１４】
以上のように、第１多孔質体１１、第２多孔質体１４、絶縁体１５、金属電極１２ａ、１２ｂ、窓１３よりマイクロノズル１０が構成される。
マイクロノズル１０が燃料噴射弁１の先端部に取り付けられた状態で、油圧室８、流量調節孔９を通過してきた燃料油が絶縁体１５に設けられた窓１３より第１多孔質体１１に流れ込み、さらに第１多孔質体１１から第２多孔質体１４を通過して燃焼室内に噴射される。
【００１５】
なお絶縁体１５は、空孔径の比較的大きい第１多孔質体１１の側面を覆っており、窓１３を通過して第１多孔質体１１に流れ込んできた燃料油が第１多孔質体１１の空孔中を横方向に拡散して漏れ出すことを防ぐ。
なお特に図２の（ａ）、図２の（ｂ）では、マイクロノズル１０を四角形状に形成したものを例示したが、これに限定されず他の多角形や円形でも構わない。
【００１６】
次に、マイクロノズル１０を燃料油が通過する様子について詳細に説明する。
なお図３において、第１多孔質体１１の上側面から第２多孔質体１４の界面までは第１多孔質体１１の空孔によって第１流路２０が形成され、第２多孔質体１４の第１多孔質体１１との界面から第２多孔質体１４の下側面までは第２多孔質体１４の空孔によって第２流路２１が形成されているものとする。
なお図３において、第１流路２０および第２流路２１を直線で示してあるが、実際には複数の空孔が連結されて形成されているため複雑に折れ曲がった形状となっている。
また第１流路２０および第２流路２１を、第１多孔質体１１および第２多孔質体１４の中央部近傍のみに図示したが、実際には第１多孔質体１１、第２多孔質体１４の全体に流路が形成されている。
【００１７】
第１流路２０は、燃料油が常温付近で十分通過でき、かつ、通過させる燃料油の流速を勘案しジュール加熱によって加熱された第１多孔質体１１からの熱伝達によって十分に燃料油を昇温することができる程度の断面積、および長さとなるように選択されている。
第１多孔質体１１の空孔で形成される第１流路２０は、第１多孔質体１１の上面と第２多孔質体１４との界面とをつなぐ１以上の流路を持ち、空孔率を高くすることによって必要とする燃料油の噴射量に適応させることができる。
【００１８】
第２多孔質体１４の空孔で形成される第２流路２１は、第１多孔質体１１との界面と第２多孔質体１４の下面とをつなぐ１以上の流路を持ち、第１流路２０に対して少なくとも１以上の第２流路２１が接続されている。
第２流路２１は第１流路２０と比較して流路径が小さく、燃料油が常温の状態では燃料油の粘度の関係から容易に通過することができないようになっている。
【００１９】
すなわち、第１多孔質体１１を通過する間に加熱昇温された燃料油が超臨界状態となる条件、たとえば、ガソリンの超臨界状態は、一般的に温度３００℃、１０ＭＰａの条件下で生成されるものとすると、供給される燃料油の第２多孔質体１４における圧力損失が１０ＭＰａ以上となるような第２多孔質体１４の厚さや空孔径を選択すればマイクロノズル１０からガソリンが液相状態で噴射されることはない。
一方、超臨界状態付近では燃料油の粘度は小さくなる。
計算によれば燃料の絶対粘度は常温常圧下に比べておよそ１／２０になる。
その結果、圧力損失はおよそ１／２０になるので、第１多孔質体１１を昇温させることによって第１流路２０を通過する燃料油を超臨界状態付近まで昇温した場合には、燃料油を容易に第２流路２１を通過させて燃焼室内に噴射することができる。
また、第１流路２０と同様に必要とする燃料油の噴射量に応じて第２多孔質体１４の空孔の密度を調整する。
【００２０】
引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると、第１流路２０周囲の第１多孔質体１１に電流が流れ、第１多孔質体１１全体が発熱する。
したがって、引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加することによって、第１流路２０および第２流路２１を通過する燃料油を昇温することができる。
【００２１】
流量調節孔９からマイクロノズル１０の上面へ向けて噴射された燃料油は、マイクロノズル１０の第１流路２０を通過することによって瞬時に昇温される。
第２多孔質体１４に形成された第２流路２１は第１流路２０より細い流路で構成されているので、燃料油の粘性により圧力損失が大きくなり、液体の状態では容易に流れることができない。
したがって、第１流路２０を通過する燃料油が超臨界状態付近まで加熱されてガス状（ガスと液体とが混在する状態を含む）となって粘度が小さくなったときに、容易に第２流路２１を通過することができるようになる。
したがって第２流路２１を通過して内燃機関の燃焼室内に噴射された燃料油は、粘度の低下により表面張力が小さくなるため液滴の大きさが小さく、また温度が超臨界状態に近い燃料油であるため、燃料油の燃焼効率が向上する。
【００２２】
次にマイクロノズル１０の製造方法について説明する。
図４の（ａ）〜図４の（ｃ）に、マイクロノズルの製造工程を示す。
図４の（ａ）に示すように、第２多孔質体１４上に第１多孔質体１１が載置され、第２多孔質体１４と第１多孔質体１１とが熱圧着、あるいは一体焼結などの方法により強固に接合される。
第１多孔質体１１は、第２多孔質体１４よりも図４の（ａ）中上側から見たときに大きさが小さくなるように形成され、第１多孔質体１１内の第１流路２０の下流側の開口部が第２多孔質体１４によって覆われている。
ここで、拡散接合や熱圧着などの接合方法は、被接合体間に接着層を挟むことがなく強固な接合をすることが可能であり、特に拡散接合では原子レベルでのミクロな界面での拡散現象によりほぼバルク材と同程度の機械的強度を得ることが可能であるので、特に高温に晒される部位にあっては好適な手法である。
【００２３】
次に図４の（ｂ）に示すように、第２多孔質体１４上において、第１多孔質体１１の上面と側面とを絶縁体１５によって覆う。
また絶縁体１５には、第１多孔質体１１の上面と対向する位置に窓１３が設けられている。
絶縁体１５は、第１多孔質体１１および第２多孔質体１４との接触面において拡散接合によって接合されて第１多孔質体１１、第２多孔質体１４および絶縁体１５が一体化されている。
第１多孔質体１１は導電性を有するが、空孔を含むために電気的な抵抗値は同種のバルク材に比べると一般的に大きくなるので絶縁体１５としてはセラミクスなどの熱的に安定で電気抵抗の高い材料が好適である。
また、絶縁体１５の上面において対向する２辺の外周縁近傍にはそれぞれスリット１２ａ、１２ｂが設けられている。
【００２４】
次に図４の（ｃ）に示すように、スリット１５ａ、１５ｂに、それぞれ断面Ｔ字形状の金属電極１２ａ、１２ｂを埋め込み、外部から金属電極１２ａ、１２ｂを介して第１多孔質体１１に電力を供給可能とする。
以上のように、第１多孔質体１１、第２多孔質体１４、絶縁体１５、金属電極１２ａ、１２ｂ、窓１３によってマイクロノズル１０が形成される。
【００２５】
本実施例は以上のように構成され、マイクロノズル１０の表裏面を貫通する流路の上流側を第１流路２０、下流側を第１流路２０よりも流路径が小さい第２流路２１によって構成することにより、第１多孔質体１１に電圧を印加することによって第１流路２０を通過する燃料油を急速に昇温することができ、また、第１流路２０によって加熱されて表面張力が小さい燃料油のみが第２流路２１を通過することとなる。
したがって、マイクロノズル１０から噴射された燃料油は、流路径の小さな第２流路２１を通過していること、燃料油表面張力が小さいことにより液滴が小さいものとなり、内燃機関の燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。
また、第１流路２０において燃料油を超臨界状態まで加圧、昇温すれば燃料油は気体分子並みの運動エネルギーを有するので極めて容易に第２流路２１を通じて噴射することができ、より一層内燃機関の燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。
【００２６】
次に第１流路２０を第１多孔質体１１で形成することの効果を、具体例とともに以下に述べる。
第１多孔質体１１に形成された第１流路２０を、一般的な燃料噴射装置の噴射孔のようにドリルや放電加工、プレスなどで形成した単純な円形直管であるものとして考える。
円形直管の第１流路２０内の燃料油（ガソリンを仮定）の流れは、次式のレイノルズ数Ｒｅの計算から層流であることがわかる。
【数１】
2007211673.tif 000003
例えば、第１流路２０の直径ｄｅ＝１００［μｍ］、ガソリンの動粘性率 ν＝６．５４×１０−７［ｍ／ｓｅｃ］とし、ガソリンの流量を１ｃｃ／ｍｉｎ＝１．６７×１０−８ｍ／ｓｅｃとすると、流速Ｖ＝２．１３［ｍ／ｓｅｃ］となるので、レイノルズ数Ｒｅ＝３２５となる。
一般的にＲｅ＜２１００では層流である。
【００２７】
流量を一定とし、第１流路２０を複数の流路の集合体とすると一本あたりの流路径は更に小さいものとなるのでやはり層流となる。
層流では、第１流路２０の内壁近傍の流体の速度が極めて小さくなり、一方、第１流路２０の中心付近では速度が最も早くなるので、流路中心付近を流れる燃料油は加熱されにくくなってしまう。
一般的に層流よりも乱流を形成した方が、大小さまざまな燃料油の塊が不規則に運動し、加熱された第１流路２０の内壁から離れた位置（流路の中心）にある低温の流体塊が直接伝熱面（第１流路２０の内壁）近傍へ到達するので、加熱された内壁から燃料油への熱伝達は良好となる。
第１流路２０に形成される空孔は不規則に配置されているので、空孔を通過する燃料油の流れは乱流となり、上記のように熱伝達率が向上し、より一層効率的に燃料油を昇温することが可能となる。
【００２８】
なお、第１多孔質体１１、第２多孔質体１４は金属微粒子の焼結、あるいは金属細線などによって形成されるメッシュを積層形成して形成することができる。
また、少なくとも第１多孔質体１１が通電によってジュール加熱が可能な導電性を有する材料であれば、多孔質を形成可能な金属や半導体材料などの公知の材料を使用することができる。
【００２９】
なお、本実施例においては第１多孔質体１１と第２多孔質体１４の２つの部材を積層した例を示したが、多孔質体を３層以上積層してもよい。
また、空孔径の異なる第１多孔質体１１と第２多孔質体１４とを積層する構成に代えて、燃料油の上流側から下流側にかけて徐々に空孔径が小さくなる構造の多孔質体を用いることもできる。
実施例において、マイクロノズル１０を燃料油を噴射する燃料噴射弁１に適用した例を示したが、これに限定されず他の流体を噴射する流体噴射装置にマイクロノズルを適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】燃料噴射弁先端部断面を示す図である。
【図２】マイクロノズルを示す図である。
【図３】マイクロノズルの断面を示す図である。
【図４】マイクロノズルの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料噴射弁
２    筐体
３    針弁
４    保持構造体
６    絶縁物
７ａ、７ｂ    引き出し電極
８    油圧室
９    流量調節孔
１０    マイクロノズル
１１    第１多孔質体
１２ａ、１２ｂ    金属電極
１３    窓
１４    第２多孔質体
１５ａ、１５ｂ    スリット
【図１】
2007211673.tif 000004
【図２】
2007211673.tif 000005
【図３】
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【図４】
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