(57)【要約】【課題】マイクロノズルのすべての貫通孔を均一の温度に昇温できるようにする。【解決手段】導電性基板１１の両端に金属電極１２ａ、１２ｂを設け、金属電極に挟まれた領域を貫通孔１７が設置される貫通孔設定領域１５とする。金属電極の各幅を貫通孔設定領域の幅Ｗと同一とし、貫通孔１７は全幅にわたって導電性基板の長手方向、および幅方向にそれぞれ一直線となるように一定の隙間で並べて配置される。幅方向に貫通孔１７が等間隔になることにより電流密度の分布が均一となり、長手方向にも一定間隔となるのでどの部位でも見かけの抵抗値が同じになって、すべての貫通孔１７が均一に昇温される。これにより、エネルギー損失を招くことなく、瞬時に全ての貫通孔１７を所望の温度に昇温することができ、例えば燃料噴射に同期させて燃料油を均一に加熱することができる。【選択図】図２
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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可動弁の下流側に設置されて、導電性基板の表裏面を貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔を通過する流体の昇温を行うマイクロノズルであって、
前記導電性基板の長手方向の両端に第１の電極と第２の電極を設けるとともに、導電性基板の前記第１の電極と第２の電極に挟まれた領域を前記貫通孔が設置される貫通孔設定領域とし、
前記第１の電極の幅および第２の電極の幅を前記貫通孔設定領域の幅と同一とし、
前記貫通孔は、前記貫通孔設定領域の全幅にわたって均等に複数配置してあることを特徴とするマイクロノズル。
【請求項２】
流体の流量を調節する可動弁の下流側に設置されて、導電性基板の表裏面を貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔を通過する流体の昇温を行うマイクロノズルであって、
前記導電性基板の長手方向の両端に第１の電極と第２の電極を設けるとともに、導電性基板の前記第１の電極と第２の電極に挟まれた領域を前記貫通孔が設置される貫通孔設定領域とし、
前記第１の電極の幅および第２の電極の幅を前記貫通孔設定領域の幅と同一とし、
前記貫通孔は、前記導電性基板の長手方向に所定数を一直線に一定の隙間で並べた列を、前記貫通孔設定領域の全幅にわたって等間隔に複数列配置してあることを特徴とするマイクロノズル。
【請求項３】
前記複数列は、前記導電性基板の長手方向において互いに同位置に配置され、各列の貫通孔が前記導電性基板の幅方向にも一直線に並べられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロノズル。
【請求項４】
前記複数列は、１列おきごとの２グループに分けられ、各グループは前記導電性基板の長手方向において互いに１列内における貫通孔の間隔の１／２だけオフセットさせて配置され、グループごとの貫通孔が前記導電性基板の幅方向にも一直線に並べられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロノズル。
【請求項５】
前記導電性基板の長手方向から見たとき、隣接する列の前記貫通孔の径が互いに一部重なるように各列間の間隔を設定したことを特徴とする請求項４に記載のマイクロノズル。
【請求項６】
隣接する３つの貫通孔の各中心を結ぶ線が正三角形を形成することを特徴とする請求項５に記載のマイクロノズル。
【請求項７】
前記導電性基板の側面に、電気絶縁状態に増補枠が設けられていることを特徴とする請求項１から６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、たとえば燃料噴射弁の先端に設けられて通過する燃料油などの流体を昇温させるマイクロノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の燃料噴射システムとして、内燃機関（内燃機関）の燃焼室内に噴射した燃料の微粒化および気化を促進して良好な燃焼を実現するため、燃料を高温高圧の液体状態または超臨界状態にして燃焼室に噴射する燃料噴射弁を用いるものが提案されている。
このような燃料噴射弁として、たとえば特開平１０−１４１１７０号公報に開示されたものがある。これは燃料噴射弁内部に加熱ヒータを備え、燃料噴射弁に供給され一時貯留された燃料を加熱ヒータによって加熱し、加熱後の燃料を噴射量の制御を行う可動弁を通過させて適正量に調整した後、燃焼室内に噴射するものである。
【特許文献１】特開平１０−１４１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料噴射システムは、上述したように燃料噴射弁内部に貯留された燃料を加熱し、昇温させる構成であるため、実際の噴射量よりも多量の燃料を予め所定温度まで加熱することとなり、その必要エネルギーが大きく、どうしても大電力の供給が必要となり、装置としても大型化せざるを得ない。
また、燃料をその超臨界状態にする場合、例えば３００℃付近まで昇温させなければならないが、急加速時などとくに大量の燃料を供給するときには供給燃料の急速昇温が必要であるにもかかわらず、運転状態によっては加熱容量が足りず、サージを引き起こすおそれがある。
そしてさらに、可動弁による噴射前に燃料を加熱するので、可動弁も高温に曝される結果、可動部分の耐久性やシール性に悪影響を与えることともなる。
【０００４】
そこで、燃料噴射弁の可動弁より下流の先端に複数の微小な貫通孔を備えるマイクロノズルを設け、当該ノズルにヒータを形成して貫通孔を通過する燃料油を加熱することが研究されている。
このようなマイクロノズルでは、燃焼室へ噴射される量だけを加熱することにより、信頼性や、エネルギー効率の向上が期待される。
このため、マイクロノズルでヒータの熱容量を小さくして、燃料をその噴射と同期させて急速に昇温させることが重要となる。
【０００５】
しかし、数ｍｓｅｃ（ミリ秒）レベルで制御される噴射間隔の下で、従来、燃料油が通過するすべての貫通孔を均一の温度に昇温することが困難で、温度が高い貫通孔と温度が低い貫通孔との混在を解消しえていない。このため、例えば全ての貫通孔が所定の温度に到達するように加熱すれば、元々温度が高い貫通孔は必要以上に加熱されてしまい、エネルギー損失が生じることになる。
【０００６】
したがって本発明は、上記従来の問題点に鑑み、すべての貫通孔を均一の温度に昇温できるようにした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】
【０００７】
このため本発明は、流体の流量を調節する可動弁の下流側に設置されて、導電性基板の表裏面を貫通する貫通孔を備え、貫通孔を通過する流体の昇温を行うマイクロノズルであって、導電性基板の長手方向の両端に第１の電極と第２の電極を設けるとともに、導電性基板の第１の電極と第２の電極に挟まれた領域を上記貫通孔が設置される貫通孔設定領域とし、第１の電極の幅および第２の電極の幅を貫通孔設定領域の幅と同一とし、貫通孔は貫通孔設定領域の全幅にわたって均等に複数配置してあるものとした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、貫通孔設定領域における電流密度の分布が均一となるから、貫通孔設定領域に設けられたすべての貫通孔が均一に昇温される。
これにより、エネルギー損失を招くことなく、瞬時に全ての貫通孔を所望の温度に昇温することができ、貫通孔を通過する流体を応答性高く均一に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明の実施の形態について説明する。
図１に、マイクロノズルを取り付けた燃料噴射弁の先端部断面を示す。
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。
【００１０】
油圧室８には図１中の上下方向に移動可能な可動弁３が備えられ、上下に移動させることにより可動弁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。
この可動弁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。
【００１１】
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、セラミッ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に設けられた貫通孔を通過する燃料油を昇温することができる。
こうして、油圧室８に供給された燃料油は、可動弁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。
【００１２】
図２の（ａ）は、マイクロノズルの斜視図であり、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部断面を示す図である。
なおマイクロノズル１０は、図２の（ａ）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、例えばシリコン（Ｓｉ）などの導電性基板１１を主要構成要素としている。
【００１３】
導電性基板１１は、とくに図２に示されるように、平面形状が幅Ｗを有する長方形であって、長手方向の両端の面上にそれぞれ金属電極１２ａ、１２ｂが備えられている。金属電極１２ａ、１２ｂは導電性基板１１の幅方向全面にわたって延びている。導電性基板１１の金属電極１２ａと１２ｂの間に挟まれた領域を、後述する貫通孔設定領域１５とする。
この金属電極１２ａ、１２ｂに、それぞれ引き出し電極７ａ、７ｂが接続される。
【００１４】
導電性基板１１の金属電極１２ａと１２ｂの間に挟まれた矩形の貫通孔設定領域１５には、導電性基板１１の上面から下面にかけて複数の貫通孔１７が形成されている。
各貫通孔１７の径は、当該貫通孔を通過した燃料油が噴霧となるに適したサイズとして例えば数μｍ〜数十μｍとなっている。
引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると、金属電極１２ａと１２ｂの間に電流が流れる。貫通孔１７はこの電流の流れ方向に一直線に一定の隙間で並べて１列とされ、同一の列、すなわち、貫通孔１７の個数および各貫通孔間の隙間ｄが同一の複数の列２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…）が、横方向、すなわち導電性基板１１の幅方向に隣接している。
【００１５】
図４は、理解を容易にするため、後述の保護膜を省いて示す導電性基板１１の平面概念図であり、個数を少なくした貫通孔１７を大きく描いている。
各列の貫通孔１７は横方向に見たときにも隣接する貫通孔が一直線となり、各列の貫通孔１７間の隙間も上記１列中の貫通孔１７間の隙間（ｄ）と同一に設定してある。
貫通孔設定領域１５の幅端縁Ｌとこれに最も近い幅端の列における貫通孔１７との最小距離ｓは、貫通１７孔間の隙間ｄの１／２が好ましい。
【００１６】
これにより、貫通孔設定領域１５において、貫通孔１７の集合エリアＱは実質貫通孔設定領域１５の幅（＝Ｗ）全体を占め、その貫通孔の集合エリアＱ内では貫通孔１７が均一に配置されたものとなっている。集合エリアＱと金属電極１２ａ、１２ｂとの間には若干の間隙を設定してある。
図３に示されるように、導電性基板１１の燃料油と接触する表面は、貫通孔１７の内壁を含めて、電気絶縁性の保護膜１３で覆われる。ここでは、側面を含め、保持構造体４に保持される外周面まで保護膜１３で覆われている。
【００１７】
上記金属電極１２ａ、１２ｂを備えた導電性基板１１の作成にあたっては、まず、Ｄｅｅｐ、ＲＩＥ等の異方性エッチングを用いて貫通孔１７を形成し、その後、貫通孔１７の内壁を含めて表裏面に、熱酸化、ＣＶＤ法等により酸化膜などを形成しての保護膜１３とする。
それから、導電性基板１１表面の保護膜１３にコンタクト穴３０を設けて、当該コンタクト穴３０に上から順にＰｔ、Ｔｉの薄膜を積層してコンタクト３２とし、これに接合させて保護膜１３上にＡｕなどの金属電極１２ａ、１２ｂを形成すればよい。
コンタクト穴３０（およびコンタクト３２）の平面形状は、実質的に導電性基板１１の幅Ｗと同じ幅をもった長方形とする。
【００１８】
平面形状が長方形の導電性基板１１の側面（幅端縁Ｌ）には、電気絶縁部材からなる直方体状の増補枠４０が接合されている。これは導電性基板１１を、その幅全体に設けられた貫通孔１７を流量調節孔９に対向させて、保持構造体４に保持するために貫通孔の集合エリアＱの周囲に必要な余白領域を形成するためのものである。
これにより、マイクロノズル１０は全体として平面形状が正方形のブロック状となる。
本実施の形態では、金属電極１２ａが第１の電極に該当し、金属電極１２ｂが第２の電極に該当している。
【００１９】
以上の構成になるマイクロノズル１０では、引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると、金属電極１２ａ、１２ｂ間の導電性基板１１、すなわち貫通孔設定領域１５に電流が流れ、ジュール熱が発生する。
ここで、貫通孔設定領域１５の幅は金属電極１２ａ、１２ｂの幅寸法と同一であり、電気絶縁部材の増補枠４０方向へ電流経路が拡がって電流密度が低下することがない。そして、各貫通孔１７の隣接する貫通孔との隙間が電流の流れに対して縦方向にも横方向にも均一となっており、図４に示すように、どの貫通孔をとっても当該貫通孔を取り巻く領域Ｒの形状及び面積が同一になる結果、貫通孔設定領域１５の全ての貫通孔１７に流れる電流分布が等しくなり、均一に発熱する。
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の貫通孔１７を通過することによって瞬時に昇温される。
【００２０】
可動弁３による噴射タイミングに同期して金属電極１２ａ、１２ｂに電圧を印加する過度状態では、電流密度による発熱勾配が直接影響するが、例えば、７ｍｍ角のＳｉ基板を用いた実験で、電圧を０．５ｍｓｅｃ印加したときの温度分布を測定したところ、Ｓｉ基板への電極を局所としたときは発熱により上昇した温度の最大値と最小値の比が約２であったに対して、電極をＳｉ基板と同幅にしたときには上昇した温度の最大値と最小値の比がほぼ１、すなわちほとんど均一であった。
そして、導電性基板１１の温度分布をプロットした図５に示すように、数ｍｓｅｃ間のパルス電圧を印加したときの過度状態（時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ３）において、貫通孔設定領域１５の温度の絶対値は上昇するが、貫通孔設定領域１５内の温度分布に変動はない。
【００２１】
実施の形態は以上のように構成され、導電性基板１１の長手方向の両端に金属電極１２ａ、１２ｂを設けるとともに、導電性基板１１の金属電極１２ａと１２ｂに挟まれた領域を貫通孔１７が設置される貫通孔設定領域１５とし、金属電極１２ａ、１２ｂの各幅を貫通孔設定領域１５の幅（Ｗ）と同一とし、貫通孔１７は、導電性基板１１の長手方向に所定数を一直線に一定の隙間で並べた列を、貫通孔設定領域１５の全幅にわたって等間隔に複数列（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・）配置し、またこの複数列は導電性基板１１の長手方向において互いに同位置に配置され、各列の貫通孔１７が導電性基板１１の幅方向にも一直線に並ぶようにしたので、まず幅方向に貫通孔１７が等間隔になることにより、電流密度の分布が均一となり、また長手方向に一定間隔となることにより、電流の流れ方向においてどの部位でも見かけの抵抗値が同じになって、すべての貫通孔１７が均一に昇温される。
これにより、エネルギー損失を招くことなく、瞬時に全ての貫通孔１７を所望の温度に昇温することができ、噴射に同期させて燃料油を均一に加熱することができる。
【００２２】
また、導電性基板１１の側面に、電気絶縁部材からなる増補枠４０が接合されているので、燃料噴射弁１の先端に実装する際の余白領域が確保される一方、貫通孔設定領域１５がこの増補枠４０によって電気絶縁状態に区画されるから、電流が貫通孔設定領域１５から拡がって貫通孔集合エリアＱの電流密度が低下することが確実に防止される。
【００２３】
つぎに図６は、貫通孔設定領域１５における貫通孔配置の変形例を示す。
導電性基板１１’の金属電極１２ａと１２ｂに挟まれた貫通孔設定領域１５において、貫通孔１７が導電性基板１１’の長手方向（電流の流れ方向）に一直線に一定の隙間ｄ’をなすように等間隔で並べられた列２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、・・・）と同様に一直線に一定の隙間ｄ’で並べられた列２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・）とが交互に、貫通孔設定領域１５の全幅にわたって等間隔に配置してある。
【００２４】
列２２のグループと列２４のグループとは、導電性基板１１’の長手方向において、１列内の貫通孔の等間隔の１／２だけオフセットさせて配置されている。そして、図７の拡大図に示すように、各列間の間隔ｍは、導電性基板１１’の長手方向から見たとき、隣接する列の貫通孔１７の径が互いに一部重なるように割り込んでいる。
さらに、横方向（幅方向）に見たときに、列２２、列２４の各グループごとに貫通孔１７は一直線となっている。そして、上記の各列相互の割り込み量を決定する列間隔ｍは、平面上において隣接する３つの貫通孔１７ａ、１７ｂ、１７ｃの各中心を結ぶ線が正三角形を形成するように設定されている。
その他の構成は実施の形態と同じである。
【００２５】
以上のように隣接する列をオフセットさせたことによっても、貫通孔１７を均等に配置される。
そしてとくに、隣接する列の貫通孔１７が互いに相手列内に一部割り込んでいるので、図７に示すように、金属電極１２ａ、１２ｂ間の電流経路Ｐは一直線とならず、各貫通孔１７の周縁にそって形成される。この結果、電流がほぼ貫通孔１７の全周を流れ、微視的に見たとき、昇温した他の部位からの熱伝導を待つことなく内周壁面が直接加熱されるから、応答性がとくに向上するという利点がある。
また、３つの貫通孔の各中心を結ぶ線が正三角形となっていることにより、それぞれの貫通孔１７の周囲を流れる電流密度分布は最も安定するから、これによって貫通孔１７まわりの昇温の応答性が一層向上して、安定した燃料油の噴霧が形成される。
【００２６】
なお、実施の形態では、導電性基板１１、１１’をＳｉとしたが、ＳｉＣなどその他の半導体を用いてもよく、さらにはステンレス、ニクロムなどの高温に耐える金属材を用いることもできる。
例えば導電性基板として金属材を用いるときは、貫通孔１７は放電加工等により形成すればよい。
また、導電性基板１１、１１’の側面には電気絶縁部材からなる増補枠４０を接合するものとしたが、電気絶縁層を挟んで取り付ければ増補枠を導電性材料で形成してもよい。この際、導電性基板１１、１１’の表裏面とともに導電性基板の側面に酸化膜が形成されていれば、当該酸化膜を電気絶縁層とすることができる。
【００２７】
さらに、導電性基板を半導体とした場合には、増補枠４０は導電性基板と一体に形成したものとしてもよい。
この場合には、金属電極１２ａ、１２ｂを両端とする長方形の側辺にそって、図８に示すように、エッチングでスリットを形成したうえ、当該スリットを酸化膜４２で埋めることにより、電流が貫通孔設定領域１５より外方へ拡がるのを阻止することができる。なお、図８は図２の（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面に対応する図である。
【００２８】
また各貫通孔１７の径を数μｍ〜数十μｍとしたが、これは例示であって、例えば超臨界状態まで昇温して超臨界状態でのみ通過させるなど、マイクロノズルの使用態様に応じて適宜設定すればよい。
【００２９】
実施の形態は燃料噴射弁に適用して、燃料油を加熱する例で説明したが、本発明のマイクロノズルはこれに限定されず、燃料油以外の各種流体の加熱に適用することができる。
また、マイクロノズルの全体平面形状を正方形としたが、設置態様によって全体形状を円形としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】マイクロノズルを取り付けた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】導電性基板１１を誇張して示す平面概念図である。
【図５】電圧印加の過度状態における温度分布を示す図である。
【図６】貫通孔配置の変形例を示す図である。
【図７】貫通孔の平面上配置を拡大して示す説明図である。
【図８】増補枠の形成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      燃料噴射弁
２      筐体
３      可動弁
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、１１’    導電性基板
１２ａ    金属電極（第１の電極）
１２ｂ    金属電極（第２の電極）
１３    保護膜
１５    貫通孔設定領域
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ    貫通孔
３０    コンタクト穴
３２    コンタクト
４０    増補枠
４２    酸化膜
Ｑ      集合エリア
【図１】
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【図２】
2007332784.tif 000004
【図３】
2007332784.tif 000005
【図４】
2007332784.tif 000006
【図５】
2007332784.tif 000007
【図６】
2007332784.tif 000008
【図７】
2007332784.tif 000009
【図８】
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