(57)【要約】      （修正有）【課題】ディフューザの長さが短くてもディフューザでの圧力損失を低減させると同時に、ディフユーザの出口での流れを均一化することにより、装置全体の長さを長く取らなくても、圧力損失が小さく、大面積の下流側流送管内の流れの分布の良好な被処理流体が流送される流送通路断面積増加装置を提供する。【解決手段】被処理流体が流送される小断面積の上流側流送管と、大断面積の下流側流送管、並びにその間をディフューザ４で連結してなる流送体の流送通路断面積増加装置において、ディフューザ内方の上流側部分の中心軸上にコア部材１０を設け、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成されるディフューザ内の流路断面積の増加率が一定となるようにコア部材形状を形成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理流体が流送される小断面積の上流側流送管と、大断面積の下流側流送管、並びにその間をディフューザで連結してなる流送体の流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材であって、ディフューザ内方の上流側部分の中心軸上にオリフィスが穿設され、ディフューザ部分の長さの１／２から４／５の長さを有し、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成される流路断面積の増加率がほぼ一定となる形状に、成型手段により形成したことを特徴とする流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材。
【請求項２】
成型手段が、金属製板材を深絞り成型装置もしくは回転成型装置であることを特徴とするが請求項１に記載の流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材。
【請求項３】
ディフューザ内方の上流側部分にオリフィスが穿設され、ディフューザ部分の長さの１／２から４／５の長さを有し、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成される流路断面積の増加率がほぼ一定となる形状に、成型手段により形成したコア部材を、ディフューザ内方でディフューザの中心軸上に配設したことを特徴とする流送通路断面積増加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理流体が流送される小断面積の上流側流送管と、大面積の下流側流送管、並びにその間をディフューザで連結してなる流送体の流送通路断面積増加装置に関し、特に自動車、ガスタービン等の内燃機関からの排ガス処理装置や熱交換器等における流送気体の流送に適した流送通路断面積増加装置に付設するコア部材およびそのコア部材を備えた流送通路断面積増加装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的規模で自動車の排気ガスが大気環境に深刻な影響を及ぼしている。
その一例が光化学スモッグである。この光化学スモッグは、太陽光の下で大気中の窒素酸化物ＮＯｘと炭化水素ＨＣが反応して有害な催涙物質を合成する。
窒素酸化物ＮＯｘと炭化水素ＨＣの主な発生源は自動車の排ガスであって、凡そ炭化水素排ガスの７０％、窒素酸化物の６０％が排出されており、これが光化学スモッグの最大の発生源となっている。
【０００３】
そこで自動車等からの排出ガス基準が設けられるなど、世界のあらゆる自動車会社が環境保全を最重要課題の一つとして取り組んでいる。
こうした排ガスを処理する装置として、排ガス中の有害ガスを無害な水Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2に変える装置、所謂触媒コンバータが開発され、これが排気ガス経路中に装着されて有害な成分を処理するようにしている。
因みに、触媒コンバータが開発される以前、米国では全車輌から年間１４ｔ／Ｋｍ2の汚染物質が排出されていたものが、触媒コンバータの開発によって、年間０．３t／Ｋｍ2まで削減されており、大気環境に対する触媒コンバータの効果は多大なものである。
【０００４】
触媒コンバータの処理効率を向上させるためには、処理部分の体積を出来るだけ大きく取るのが好ましい。このために一般的な触媒コンバータの構造としては、モノリス担体の直前にディフューザが備え付けられたものが使用されている（非特許文献１）。
ディフューザとは「断面積がゆるやかに拡大する」広がり管である。ディフューザの役割は、できるだけわずかな圧力損失で流体を所要箇所へ導くこと、流れが流路断面内でできる限り一様に分布した状態で下流側へ導くことにある。
【０００５】
ディフューザの広がり角度が小さいと、所望の大きさにまで拡大するのにディフューザを長くする必要があり、スペースの点からディフューザの広がり角度は通常７０°程度のものが使用されている。このようなディフューザを使用すると、ディフューザの管壁付近での流れは、管壁との摩擦によって、しだいに速度エネルギを失い、ついには停止する。その後は圧力の逆勾配による逆流によって流れは壁から剥離する。
このように圧力損失によるエネルギーロスが発生することや管内の流れの均一性が損なわれることは、エンジンの最高出力の低下や燃費の悪化、あるいは排ガスの処理性能の低下といった問題に繋がっていく。
【０００６】
非特許文献１には、ディフューザの長さを考慮し、圧力損失を小さくするディフューザの形状の提案がなされている。
このディフューザは、ディフューザの入口側では広がり角度を３．５°〜１１°と小さくしておき、触媒コンバータに繋ぐ直前に急拡大するものである。このような形状のディフューザを使用すると、圧力損失を小さくすることができるが、触媒コンバータに入る時点での中心付近と周辺付近での流速の差は大きくなっている。
触媒作用を向上させるためには、モノリス担体内の温度を一定の温度（約７００℃）以上に上昇させることが重要である。排気ガスの流速が速い部分は温度が上がり易く、流速が遅い部分では低温となるために、モノリス担体直前の流れが不均一分布になると、触媒による浄化作用が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の発明者はこうした問題に対処するために本発明に先立って、被処理流体が流送される小断面積の上流側流送管と、大断面積の下流側流送管、並びにその間をディフューザで連結してなる流送体の流送通路断面積増加装置において、ディフューザ内方の上流側部分の中心軸上にコア部材を設け、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成される流路断面積の増加率が一定となるようにコア部材形状を形成したことを特徴とする流送通路断面積増加装置を提案している（特許文献１）。
ところが、こうした先の提案にかかる流送通路断面積増加装置では、コア部材が円錐形状の先端部分に所定のオリフィスを形成し、当該オリフィス部分から下流側に延びる流体通路を形成した形状になっていることから、生産性が低くなってしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００６−１８３６６５号公報
【非特許文献１】米国雑誌Automotive Engineering/June 1996 第69頁 Reducing catalytic converter pressure loss
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み提案されたもので、ディフューザの長さを長く取らなくても、圧力損失が小さく、大面積の下流側流送管内の流れの分布の良好な被処理流体が流送され、且つ、被処理流体の処理用立ち上がりを速やかに行なえるようにするために流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材の生産性を高めて実用性の高い流送通路断面積増加装置を提供できるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する為に本発明にかかる流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材は、被処理流体が流送される小断面積の上流側流送管と、大断面積の下流側流送管、並びにその間をディフューザで連結してなる流送体の流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材であって、ディフューザ内方の上流側部分の中心軸上に、オリフィスが穿設され、ディフューザ部分の長さの１／２から４／５の長さを有し、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成される流路断面積の増加率がほぼ一定となる形状に、成型手段により形成したことを最も主要な特徴とするものである。
【００１０】
本発明にかかる流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材では、成型手段が、金属製板材を深絞り成型装置もしくは回転成型装置であることも特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明にかかる流送通路断面積増加装置は、ディフューザ内方の上流側部分にオリフィスが穿設され、ディフューザ部分の長さの１／２から４／５の長さを有し、かつコア部材とディフューザ壁との間に形成される流路断面積の増加率がほぼ一定となる形状に、成型手段により形成したコア部材を、ディフューザ内方でディフューザの中心軸上に配設したことを最も主要な特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ディフューザの傾斜状部分の内方にコア部材をディフューザの中心軸上に、かつ上流側流送管との境から下流側流送管側に向けて設けるとともに、ディフューザ内の流路断面積の増加率が一定となるようにするこのコア部材の形状を、金属製板材を深絞り成型装置もしくは回転成型装置からなる成型手段により形成するようにしてあるので、ディフューザの長さを長く取らなくても、上流側流送管から供給された被処理流体を被処理部に略均一に供給し、被処理流体のディフユーザ内の流れを均一化すると同時に、圧力損失を低減させ、流送経路全体の圧力損失を減少させることができるという効果を維持しながらも、成型手段によりコア部材を簡単で大量に且つ安価に生産することができる利点がある。
【００１３】
また、コア部材が簡単で大量に且つ安価に生産することができることから、実用性の高い流送通路断面積増加装置も安価に提供することができる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明にかかる流送通路断面積増加装置に付設されるコア部材及びコア部材を備えた流送通路断面積増加装置の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は自動車等の排気ガス処理装置を模した実験装置の概略図であって、図中符号１は排ガス処理用実験装置を全体的に示す。
この実験装置１は自動車のエンジンに相当するブロア２と、モノリス担体型の触媒コンバータ（下流側流送管）３と、触媒コンバータ３に入口部分に取り付けられたディフューザ４とを連通連結する流送管（上流側流送管）５と、触媒コンバータ３の出口側部分に取り付けられた出口管６とを備えてなる。
また、ディフューザ４内には後述するコア部材１０が設けてある。
【００１５】
ここで、上記触媒コンバータ３、ディフューザ４及び連通連結する流送管（上流側流送管）５は断面形状が円形のものとなっている。
流送管５の入口助走区間部分７を１０００ｍｍとし、流送管５と出口管６は、内径Ｄ＝２６ｍｍのものを使用している。
【００１６】
また、本例では、ディフユーザ４の広がり角を一般的な７０°にしてある。
モノリス担体型の触媒コンバータ３は、壁厚さが４ｍｍ、セル密度が４００ｃｐｓｉのものを使用した。
流速等の計測器具としては、図１に示すように、ステンレス製のピトー管８・８ａと、精密微差圧計９、液柱型圧力計を使用した。
この精密微差圧計９及び液柱型圧力計は下記のものを使用した。
尚、ピトー管８は、流れが十分に発達した部分に設置してある。
１）精密微差圧計
柴田科学器機工業株式会社製 ＩＳＰ−３−５０ＳＳ型 測定範囲 ０〜５０（ｍｍＨ2Ｏ）
２）液柱型圧力計
株式会社岡野製作所製 測定範囲０〜３００ｍｍＨ2Ｏ
【００１７】
さらに、触媒コンバータ３内の圧力損失の測定するために、図１に示すように、流送管５と出口管６にそれぞれ静圧孔１１、１２を開け、此処に精密微差圧計９に連通する検出用管１３、１４を取り付けてある。
尚、出口管６に開けた静圧孔１２は、縮小部１５による縮流が影響しないと考えられる場所に設けてある。
【００１８】
上記のように構成された排気ガス処理装置を模した実験装置１での流量算出方法及び触媒コンバータ３内の圧力損失の測定方法を次に説明しておく。
先ず、流量算出方法は、図１に示すように流送管５に設けられたピトー管８で、円管中心の総圧と静圧の差を微差圧計９により測定し、最大流速を算出し、その後、後述する１／７乗則を用いて全流量を算出する。
次に、触媒コンバータ３内の圧力損失の測定方法は、図１に示すように、触媒コンバータ３全体の圧力損失として流送管５と触媒コンバータ３を通過後の出口管６との静圧の差を微差圧計で測定する。
そして、触媒コンバータ３を通過後の出口管６部分の流速計測方法は、触媒コンバータ３の直後から約７０ｍｍの位置の静圧孔１２にピトー管８ａの先端がくるように設置する。
【００１９】
その後、流送管５の側壁から順にピトー管８を１ｍｍ間隔で流送管５の中心まで動かし、出口管６内の総圧と静圧の差を微差圧計９で測定し、その差圧から流速を算出する。
ここで、触媒コンバータ３の直後で流速測定を行なわなかった理由は、触媒コンバータ３から出てくる流れは非常に乱れているためである。
触媒コンバータ３の直後から約７０ｍｍの位置では、流れの乱れは小さく、再現性が取れたことにより、この位置で計測することにしたものである。
【００２０】
本例では、ディフユーザ４の広がり角を一般的な７０°とし、中に物体を設置することで、ディフユーザ４内の圧力損失の低減と流れの一様化とを同時に達成することを目標とする。
まず、圧力損失については,触媒コンバータ３の前後の圧力差を計測し、無次元化させて評価した。
以上の実験装置ならびに触媒コンバータ３内の圧力損失の測定方法は、本発明者らが先に提案したものと同様である。
【００２１】
上記コア部材１０は、ディフューザ４と中心軸を同一にしてある。
コア部材１０の形状は、板状部材をプレス（成型手段）により深絞り加工して直線状の傾斜面を有する円錐形状に形成するとともに、頂部（先端部）にオリフィス１６が開設されおり、オリフィス１６の径ｄは実験の結果、圧力損失が最も低減する値であるところの、下流側の最大径Ｄに対する比率が０．５７６となる径に設定されている。
コア部材１０は、上記触媒コンバータ３の形状に合わせて本例ではその長さＬが２０ｍｍにしてあり、その周面の傾斜角度は図３の面積増加率に符号Ａで示すように面積の略増加率が一定となる角度にしてある。
【００２２】
そして、ディフューザ４内のコア部材１０の長さＬの変更によっても圧力損失に影響があることから、コア部材１０の長さはディフューザ４の長さ４０ｍｍに対してその３／４にあたる３０ｍｍが最も好ましいためにコア部材１０の長さが３０ｍｍにしてある。
因みに、ディフューザ部分の長さが１／２未満あるいは４／５を超えると圧力損失が高くなることから、ディフューザ部分の長さは１／２から３／４の範囲内にすることが望ましい。
【００２３】
尚、上記実施の形態では、コア部材１０を、板状部材をプレス（成型手段）により深絞り加工して直線状の傾斜角度１０度の傾斜面を有する円錐形状に形成するようにしてあるが、こうしたものに限られず、板状部材もしくは筒状部材等の被成形体を回転させ、部分的連続成形を行う、いわゆる回転成形により成型することも可能である。
また、金型によるプレス（成型手段）加工でコア部材１０を形成する場合、プレス用の金型を変えることにより、図４に示すようなオリィス１６の近傍部分が半球状のものも簡単に製作することができる。
また、プレス（成型手段）により深絞り加工の場合、引き伸ばし率を変えることにより図５に示すような厚みの異なるコア部材１０を形成することができる。
こうした図及び図に示すコア部材１０のオリィス１６の近傍部分を半球状にしたものも図６の面積増加率の符号Ａで示すように、その面積増加率が略リニアに増加させることができ、上記実施例におけるコア部材１０の圧力損失に等の作用効果には遜色がないことを確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
上記実施におけるコア部材及びコア部材を備えた流送通路断面積増加装置は、自動車用の排気ガスを処理するための装置にしてあるが、船舶等の内燃機関の排気ガス処理にも行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】排気ガス処理装置を模した実験装置の概略図である。
【図２】コア部材の縦断側面図である。
【図３】コア部材を設けたディフユーザ部分の縦断側面図である。
【図４】コア部材の変形例の縦断面図である。
【図５】コア部材の別の変形例を示す縦断面図である。
【図６】変形例のコア部材装着したディフユーザ部分の縦断側面図である。
【符号の説明】
【００２６】
４・・・ディフューザ部分
１０・・・コア部材
１６・・・オリフィス
【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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