(57)【要約】【課題】複数の種類の流体を少ない空間で十分に混合させるとともに、流路中を通過する流体の圧力損失を低減できる流体混合装置を提供することを目的とする。【解決手段】通過する第１の流体に第２の流体を混合させる流路を備えた流体混合装置１００であって、流路の一部には、縮流部１１０が第１の流体の通過方向に沿って配設され、縮流部１１０は、第１の流体の通過方向に沿って配設された複数の縮流路５９と、前記第１の流体の通過方向に対して略直角な面状に形成されており、複数の縮流路５９に対応した縮流部１１０の第１の流体の流入口６０が穿設された流入口部１３０と、第２の流体を縮流路５９内に噴入させて第１の流体に混合させる噴出口５７を備えた噴出部１２０と、を備え、流入口１３０は、縮流路５９の内周縁位置から縮流路５９の中央側へ突出した庇５１を備え、噴出口５７は、流入口部１３０と縮流路５９との間に形成する。【選択図】図１
2009112891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する第１の流体に第２の流体を混合させる流路を備えた流体混合装置であって、
前記流路の一部には、縮流部が前記第１の流体の通過方向に沿って配設され、
前記縮流部は、前記第１の流体の通過方向に沿って配設された複数の縮流路と、前記第１の流体の通過方向に対して略直角な面状に形成されており、前記複数の縮流路に対応した前記縮流部の前記第１の流体の流入口が穿設された流入口部と、前記第２の流体を前記縮流路内に噴入させて前記第１の流体に混合させる噴出口を備えた噴出部と、を備え、
前記流入口は、前記縮流路の内周縁位置から前記縮流路の中央側へ突出した庇を備え、
前記噴出口は、前記流入口部と前記縮流路との間に形成されたことを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
前記複数の縮流路の流路断面積は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
【請求項３】
前記噴出部は、複数の前記噴出口を備え、
この複数の前記噴出口の開口面積は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の流体混合装置。
【請求項４】
前記縮流路の流路断面積と、この縮流路に対応する前記流入口部の流路断面積との面積比は、前記複数の縮流路ごとに異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体混合装置。
【請求項５】
前記噴出部は、前記噴出口の上流方向に連通された第２の流体を通過させる第２流路をさらに有し、
前記噴出口の開口面積は、連通された前記第２流路の流路断面積よりも小さく形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の流体混合装置。
【請求項６】
前記庇の第１の流体が流入する側の端部は、直角もしくは鋭角となっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの流体を混合する装置に係り、特に、２つの流体を通過させながら混合する流体混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気中には、有害な窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）が含まれており、このＮＯｘを低減することが求められている。しかし、内燃機関に備えられた排気中に含まれるＮＯｘを低減するＮＯｘ低減装置や、内燃機関の吸気に再循環させた排気を混合させて燃焼特性を制御するＥＧＲ装置などでは、内燃機関の燃焼効率の良い高温燃焼時にＮＯｘが発生することが避けられない。そのため、後処理装置として排気中に還元剤を添加し、還元反応によって、ＮＯｘを分解処理することが行われている。
【０００３】
還元反応によるＮＯｘ分解処理としては、Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（以下、「ＳＣＲ」という）と呼ばれる手法がある。
ＳＣＲは、排気ガスが排出される排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯｘを還元剤と反応させる性質を備えた脱硝触媒を装備し、この脱硝触媒の上流側に必要量の還元剤（炭化水素、アンモニア又はその前駆体）を添加する。そして、この還元剤を脱硝触媒上で排気ガス中のＮＯｘと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものである。そして、排気が流れる排気管内に尿素水を添加し、排気の熱により加水分解反応を生じさせアンモニアを生成し、このアンモニアを還元剤として、ＮＯｘを低減する方式を尿素ＳＣＲと呼んでいる。
【０００４】
尿素ＳＣＲにおいて、アンモニアが混入された排気は、脱硝触媒を通過することで、低温でもアンモニアによる脱硝反応（＝ＮＯｘの還元反応）が進む。この脱硝反応は、「ＮＯｘ＝１モル」と、「アンモニア＝１モル」が反応して窒素と水になるもので、ＮＯｘとアンモニアのモル比が「１：１」になるように混合させることが重要となり、適正な流体の混合を実現させる流体混合装置が必要となる。流体混合装置としては、ＥＧＲ装置に備えられ大量の排気ガスを吸気に良好に混合し得る流体混合装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−９２５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した従来の流体混合装置においては、複数の種類のガスを流しながら、少ない空間で流体を均一に混合するために以下の構成を有している。すなわち、一の流体が流れる円筒形の流路の内部に流路の内径よりも小さい径に流路径を絞る円筒部を設けるとともに、絞った流路内に旋回翼を配設し、一の流体が旋回翼にあたって発生する剥離領域に、他の流体を供給する開口を配設することによって、両方の流体を少ない空間で均一に混合することを実現させている。
【０００６】
しかしながら、絞った流路に加えてその流路中に旋回翼を配設するために、流路中を通過する際に生じる一の流体の圧力損失の増加が否めない。また、他の流体を供給する開口が旋回翼下流側に配設された場合、脱硝触媒の軸流方向垂直断面内の径方向において、十分に脱硝触媒が活性化されていない場合は、両方の流体を均一に混合しても脱硝反応が生じていないアンモニアが残存し、アンモニアを大気へ放出することになり好ましくない。
【０００７】
本発明は、前記した問題を解決し、複数の種類の流体を少ない空間で十分に混合させるとともに、流路中を通過する流体の圧力損失を低減できる流体混合装置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】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、通過する第１の流体に第２の流体を混合させる流路を備えた流体混合装置であって、前記流路の一部には、縮流部が前記第１の流体の通過方向に沿って配設され、前記縮流部は、前記第１の流体の通過方向に沿って配設された複数の縮流路と、前記第１の流体の通過方向に対して略直角な面状に形成されており、前記複数の縮流路に対応した前記縮流部の前記第１の流体の流入口が穿設された流入口部と、前記第２の流体を前記縮流路内に噴入させて前記第１の流体に混合させる噴出口を備えた噴出部と、を備え、前記流入口は、前記縮流路の内周縁位置から前記縮流路の中央側へ突出した庇を備え、前記噴出口は、前記流入口部と前記縮流路との間に形成された、ことを特徴としている。
【０００９】
前記構成によれば、複数の縮流路内に流入する第１の流体の流れは、縮流路の上流に配設された流入口部を通過し、縮流となることにより流速が増加する。流入口部には縮流路の内周縁位置から中央側へ突出した庇が備えられていることから、庇を通過した第１の流体は剥離し、また、縮流路の流路断面積は流入口部の流路断面積よりも拡張されていることから、流れ方向に沿った剥離領域は、厚板に単なる筒部を設けた縮流部と比べて長くなる。その結果、流れに対して大きな負圧領域が生成され、この負圧領域であって、最も圧力差が大きい流入口部と縮流路との間に第２の流体の噴出口を形成することによって、第２の流体を噴出口から縮流路へ強く吸引することができる。
【発明の効果】
【００１０】
このような流体混合装置の構成によれば、旋回翼のように流路を通過する流体の圧力損失を生ずる構成を備えることなく、複数の種類の流体を少ない空間で十分に混合させる流体混合装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る流体混合装置の外観斜視図である。図２（ａ）は、図１における矢視Ａ方向から見た正面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１２】
本実施形態における流体混合装置１００は、図１に示すように、円筒上の外郭を有した第１流路５４を備え、第１流路５４の内筒側には縮流部１１０が間挿されている。縮流部１１０は、下流分散板５５及び上流分散板５６（図２（ｂ）参照）と、第１流路５４の外筒表面に開口部が凸設され、噴出部１２０（図２（ｂ）参照）を介して第１流路５４に連通した第２流路５８と、を備えている。なお、以下の説明では、第１流路５４は、縮流路５９を基準として上流側と下流側とに分割し、それぞれ第１流路上流５４Ｕ、第１流路下流５４Ｄと呼ぶ（図２（ｂ）参照）。
【００１３】
上流分散板５６と下流分散板５５は、図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、所定間隔を空けて配設されている。上流分散板５６には、第１の流体が流入する面（図１、図２（ｂ）における右側の矢印ＩＮ側の面）に複数個の流入口６０が穿設されており、流入口部１３０を構成する。
第１の流体は、図１または図２（ｂ）の右側の矢印ＩＮから第１流路５４に流入され、流入口６０を通過し、さらに縮流路５９を通過して、左側の矢印ＯＵＴへ流出される。
また、第２の流体は、第１流路５４の外表面に凸設された第２流路５８に流入され（図１または図２（ｂ）の矢印ＩＮ２の方向）、噴出部１２０を通過し、第１流路５４へ流出される。
なお、第２流路５８は、噴出部１２０と後記する整圧室６１を含むものである。
【００１４】
次に、図１、図２に加え、図３も併せて参照して縮流部１１０の周辺の詳細構造について説明する。図３は、図２（ｂ）におけるＤ部の拡大詳細図であり、縮流路５９の周辺を拡大したものである。
噴出部１２０は、第２流路５８に流入した（矢印ＩＮ２）第２の流体を、第１流路５４へ噴出する前に一様な圧力にする整圧室６１と、この第２の流体を第１流路５４（縮流路５９）へ噴出する噴出口５７と、を備えている。
整圧室６１は、図２（ｂ）、図３に示すように、上流分散板５６の壁、下流分散板５５の壁、第１流路５４の壁および縮流路５９の壁によって囲まれた部屋であり、噴出口５７は、縮流路５９と上流分散板５６との間に形成された孔もしくは隙間等の開口である。
【００１５】
複数の縮流路５９の流路断面積を全て合算した総流路面積は、第１流路上流５４Ｕまたは第１流路下流５４Ｄの流路断面積に比べて小さくなっており、縮流路５９にて、第１流路５４に絞りを設けた構造となっている。それぞれの縮流路５９、・・、５９は、第２の流体が、噴出口５７から、それぞれの縮流路５９、・・、５９へ流出され（図３矢印ＩＮ２参照）、その後第１の流体と第２の流体との混合が促進され、第１流路下流５４Ｄの所定の流路に対する垂直断面位置にて所望の分散がされるように配設される。
【００１６】
流入口６０は、上流分散板５６に穿設されており、縮流路５９は、流入口６０よりも僅かに大きな流路断面積を有する、下流分散板５５から上流分散板５６へ延設された筒状の部材であり、下流分散板５５に一体に形成されている。
本実施形態では、縮流路５９は、下流分散板５５に形成されているが、第２流路５８や整圧室６１等の機能を有する流路の構成を採用すれば、下流分散板５５は必須の構成とはならない。
【００１７】
本実施形態では、流入口６０を円形の孔とし、縮流路５９を円筒としている。流入口６０の開口断面積と縮流路５９の流路断面積との関係は、流入口６０の開口直径をφｄ１とし、縮流路５９の流路直径をφｄ２とすると、φｄ２＞φｄ１の関係となる。言い換えれば、流入口６０は、縮流路５９の内周縁位置から中央側へ突出した庇５１を備えている。こうすることによって、縮流路５９入口付近での縮流（低圧）領域を大きく確保することができる。
【００１８】
庇５１は、薄板が突出するように形成されている。庇５１の流入口６０の周縁となる第１の流体が流入する側の先端は、流入口６０の流入側と流出側の径が等しくなるように流入方向に対して直角、もしくは、流入口６０の流入側よりも流出側が大径となるように鋭角的に形成されている。このような形状にすることにより、縮流（低圧）領域を大きくすることができる。流入口６０の入口流入部の前記した端部の形状は、積極的に第１の流体の剥離を生じさせるようなエッジ形状が好ましく、一方、テーパーおよびベルマウス形状の入口形状は、剥離流の発生が少なくなり、好ましくない。
【００１９】
流入口６０と縮流路５９との間には、複数の噴出口５７が形成されている。噴出口５７は、第２流路５８から、整圧室６１へ供給された第２の流体を、縮流路５９へ流出するものであり、第２の流体を第１の流体に噴入させる噴出部１２０を構成している。
【００２０】
次に図３とともに図４を参照して、整圧室６１について説明する。図４は、図２（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
整圧室６１は、前記したように、上流分散板５６の壁、下流分散板５５の壁、および第１流路５４の壁によって囲まれており、縮流路５９の周囲に形成された複数の噴出口５７によって第２流路５８と縮流部５９との連通を介在している。
【００２１】
第２の流体は、矢印ＩＮ２の矢印方向に示すように、第１流路５４の外表面に凸設された第２流路５８の開口部から流入し、第２流路５８の入口のスリーブ部分を通過し、整圧室６１に流入する。整圧室６１に流入した第２の流体は、整圧室６１が備えた空間によって、流れが減速される。そして、整圧室６１の内部において、図４に示すように縮流路５９の周囲を通過し、それぞれの縮流路５９、・・、５９の周囲に複数個形成された噴出口５７、・・、５７を通過して、縮流路５９に流入される。
【００２２】
複数の縮流路５９にそれぞれ複数個形成された噴出口５７、・・、５７の開口面積の総和は、第２流路５８の流路断面積より小さく、噴出口５７が第２流路５８の絞りとなるように形成されている。このような構成にすることによって、整圧室６１に流入した第２の流体の圧力分布をほぼ一定にすることが可能となり、その結果、整圧室６１において第２の流体をほぼ均一の濃度で充満させることができ、濃度のむらを抑制することができる。
【００２３】
本実施形態では、噴出口５７の開口面積の大きさと、縮流路５９を通過する第１の流体の流入条件等とで決定される第２の流体の吸引条件によって、それぞれの噴出口５７、・・、５７から、縮流路５９へ、所定量の第２の流体を供給することも可能である。
また、本実施形態では、それぞれの噴出口５７、・・、５７の開口面積を等しくし、それぞれの縮流路５９、・・、５９の流路断面積を等しくし、それぞれの流入口６０、・・、６０の開口面積を等しくしているために、それぞれの縮流路５９、・・、５９を通過する第１の流体の流量もほぼ等しくなり、その流速も等しくなる。従って、噴出口５７から縮流路５９へ吸引される第２の流体の流量もほぼ等しくなっている。
【００２４】
次に、第１の流体および第２の流体の流れについて図１および図２を参照しつつ、図５および図６を用いて説明する。図５（ａ）（ｂ）は、図２（ｂ）におけるＤ部の縮流部断面部についての数値計算による流体解析結果を示す図であり、（ａ）は速度ベクトル、（ｂ）は圧力分布を示している。図６は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面についての速度ベクトルの流体解析結果である。
【００２５】
図５（ａ）の速度ベクトルに示すように、第１流路上流５４Ｕの速度Ｖａに対して、縮流路５９における速度ベクトルＶｂが大きくなっている。ここで、矢印は速度ベクトルを表し、矢印の長さは速度ベクトルの大きさを表している。
すなわち、縮流路５９に、第１の流体が流入したとき、複数の縮流路５９の流路断面積の総和が第１流路上流５４Ｕもしくは第１流路下流５４Ｄの流路断面積に比べて小さいために、縮流路５９を通過する第１の流体の流速が増加されていることを示している。そして、流速の増加は、圧力のエネルギーが速度エネルギーに変換されるため、静圧の低下をもたらしている。
【００２６】
本実施形態では、前記したように、流入口６０を円形の孔とし、縮流路５９を円筒としており、流入口６０の開口断面積と縮流路５９の流路断面積との関係は、前者の開口直径をφｄ１とし、後者の流路直径をφｄ２とすると、φｄ２＞φｄ１の関係としており（図３参照）、庇５１を有する構成としている。こうすることによって、第1の流体は、縮流路５９に流入する際に流入口６０で縮流流れとなり、そして、縮流路５９で急激に流路が拡大されることにより、図５（ｂ）に示すように、流入口６０から後流の広い部分で剥離流が発生しており、縮流路５９の流入口６０の後流における圧力を低下させている。
【００２７】
また、図５（ｂ）の圧力分布に示すように、整圧室６１の圧力Ｐａ、噴出口５７の圧力Ｐｂ、噴出口５７から縮流路５９の中心方向の所定の位置での圧力Ｐｃは、Ｐｃ＞Ｐａ＞Ｐｂの関係となっている。ここで、噴出口５７の圧力Ｐｂが、最も低くなっているのは、圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されるためである。このように、流速が増加することにより静圧が低下し、縮流路５９の流入口６０の後流部分における流れの剥離によって負圧が生じることにより、整圧室６１の第２の流体は、整圧室６１から噴出口５７を介して、縮流路５９へ吸引される。
【００２８】
整圧室６１から縮流路５９への第２の流体の流入量は、縮流路５９を通過する第１の流体の流速と、整圧室６１の圧力Ｐａと縮流路開口５７の圧力Ｐｂとの圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）等により決定される。たとえば、（１）流入口６０の開口面積および縮流路５９の流路断面積を変えることによって、第１の流体の流速を変化させる、（２）複数ある噴出口５７について、それぞれの開口面積を異なるものとすることによって、縮流路５９に流入する第２の流体の流量を噴出口５７、・・、５７ごとに変化させる、（３）流入口６０の開口面積と縮流路５９の流路断面積との面積比率を変える（庇５１の突出量を変える）ことによって、第１の流体が剥離流となる範囲、すなわち負圧の領域、を変化させ、吸引される第２の流体の流量を変化させる、（４）以上の（１）〜（３）を組み合わせる、等を考慮して決定される。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、複数備えられた縮流路５９に吸引される第２の流体の吸引量を、それぞれの縮流路５９、・・、５９ごとに調整をすることができ、縮流路５９の下流側の第１流路５４の軸流方向の所定の垂直断面位置において、第２の流体の濃度分布を調整することができる。
【００３０】
例えば、第１流路下流５４Ｄの軸流方向の所定の垂直断面位置において、流れの中心付近の第２の流体の濃度を高くし、周縁部近傍の濃度を低くしたい場合には、予め流れの中心付近に縮流路５９を配設することによって、第２の流体が吸引される量を多くすることができる。また、それぞれの縮流路５９・・、５９の位置を適宜に配設することによって、第１流路下流５４Ｄの軸流方向の所定の垂直断面位置における第２の流体の濃度分布を調整することができる。
【００３１】
本実施形態では、複数ある縮流路５９の構成についてそれぞれの流入口６０、・・、６０の開口面積を等しく形成し、および、それぞれの縮流路５９、・・、５９の流路断面積を等しく形成し、結果として両者の面積比が等しくなっている。また、複数ある噴出口５７についても等しい開口面積としている。第１の流体または第２の流体が通過するこれらの流路等の流路断面積と、第１流路５４の流路断面に対して縮流路５９をどの位置に配置するかによって、第１流路下流５４Ｄの軸流方向の所定の垂直断面位置における第２の流体の濃度分布を調整することができる。
【００３２】
次に、縮流路５９の出口における流体の流れについて図６を参照して説明する。図６は、数値計算における流体解析結果であり、第１の流体に空気を、第２の流体にアンモニアを適用して２流体の流体混合解析を実施した結果であり、速度ベクトルを示している。なお、この流体解析では、ディーゼルエンジン等への適用を考慮して、第１流路下流５４Ｄに格子状の開口を複数有する脱硝触媒１８を配設した構成としている。
図６に示すように、第１流路下流５４Ｄにおいて、縮流路５９と脱硝触媒１８との間の軸流方向の流路の垂直断面では、第２の流体であるアンモニアの濃度は、周縁部近傍と比べて中央部が高くなっている。
【００３３】
縮流路５９の出口は、流路断面積が急激に拡大している。そのため、図６に示すように、縮流路５９を通過した第１の流体と第２の流体とが混合した混合流体は、縮流路５９の内壁面から剥離する。また、縮流路５９を通過する混合流体は、縮流路５９を通過し、さらに第１の流体と第２の流体とが混合され流量が増加していることから、縮流路５９の上流の第１の流体の流速に比べて増速された後、縮流路５９の下流側の比較的広い空間である第１流路下流５４Ｄへ噴出される。
【００３４】
そして、それぞれの縮流路５９、・・、５９は、比較的間隔を空けて配設されていることから、図６に示すように、それぞれの縮流路５９、・・、５９から噴出した混合流体の流速は速く、一方、縮流路５９の出口の第１流路下流５４Ｄの外縁部近傍では流速が遅くなっている。このため、第１流路下流５４Ｄの軸流方向に沿うような形で大きな縦渦Ｖ１がそれぞれの縮流路５９・・、５９に形成される流動様式が形成されている。そして、それぞれの縮流路５９・・、５９にその縦渦Ｖ１が互いに影響しあって、縮流路５９を通過した第１の流体と第２の流体の混合促進がより一層図られている。
【００３５】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図７は、本実施形態に係る流体混合装置の外観斜視図である。図８は、本実施形態に係る流体混合装置２００においての、第１実施形態の図６と同様に断面の流体解析結果の速度ベクトルを示す図である。この速度ベクトルは、数値計算による流れ解析結果である。なお、本実施形態が、第１実施形態と主に異なる構成は、本実施形態に係る流体混合装置２００の第１流路中に形成された縮流路の個数と配置の違いであり、その他第１実施形態と同様な構成については、同符号を使用し、説明は省略している。
【００３６】
本実施形態は、第１実施形態と比べ、縮流路１５９が第１流路１５４の軸流方向垂直断面により多く配設されている。すなわち、それぞれの縮流路１５９、・・・、１５９の間隔が狭くなっている。また、縮流路１５９の開口面積の総和を変えないように、縮流路１５９の数を増加させていることから、ひとつ当りの縮流路１５９の流路断面積は小さくなっている。なお、縮流路１５９の変更に伴い、当然、上流分散板１５６、下流分散板１５５、整圧室１６１も第１実施形態と異なっている。
【００３７】
図８に示す流体解析結果の速度ベクトル図は、図６に示す第１実施形態の流体解析結果と比べて、第１流路下流１５４Ｄにおいて、混合流体の縦渦の流動様式に差異が生じている。すなわち、それぞれの縮流路１５９の間隔を小さくしたことにより、縮流路１５９の出口近傍の第１流路下流１５４Ｄの中央付近では、縦渦の発生が抑制され、一方、外縁部近傍では、図６の縦渦Ｖ１と比較して大きな縦渦Ｖ２が発生している。
【００３８】
このように、本実施形態は、第１実施形態と比べ、第１の流体と第２の流体との混合を促進するために第１流路下流１５４Ｄの中央付近の縦渦を積極的に活用せずに、縮流路１５９の数を増加させ、より多くの点から混合した流体を噴出することによって、縮流路１５９の下流側における第１流体に対する第２流体の濃度分布の調整を行っている。
【００３９】
また、縮流路１５９の開口である流入口１６０の開口断面積を小さくすることによって、縮流路１５９での第１の流体と第２の流体の混合の促進が図られている。すなわち、一般に流路内での混合において、同程度の混合に必要な流路長は、流路径が小さいほど短くて済む関係にある。これは、流れにおける混合現象の本質は主流に直交する方向への流体の拡散が進むことであり、直交方向の到達距離が短くなればなるほどその間に流れる主流方向の距離も短くなることに起因している。このため、縮流路１５９の数を増加させるとともに、流入口１６０の開口断面積を小さくすることで積極的に混合促進を図ることができる。
【００４０】
本実施形態では、それぞれの縮流路１５９、・・・、１５９の流路断面積を等しくし、縮流部１５９に配設された複数ある噴出口１５７、・・・、１５７の開口面積も等しくし、そして、それぞれの縮流路１５９、・・・、１５９を所定の位置に配設することによって、縮流路１５９の下流側の軸流方向垂直断面における第２の流体の濃度分布が調整されている。本実施形態の形状に対して、所定の解析条件下で、第１の流体に空気を、第２の流体にアンモニアを適用して、これらの２流体の流体混合解析を実施した結果によれば（図示せず）、第１流路下流１５４Ｄの軸流方向垂直断面の位置（脱硝触媒１８の上流側端面）における第２の流体の濃度は、外周部および中心部ともにほぼ一定の濃度となっている。
【００４１】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る流体混合装置の第３実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図９は、本実施形態に係る流体混合装置を備えた排気処理装置の全体構成とその周辺構成を示す側断面図である。図１０は、図９に示した排気処理装置のI部に示す尿素水添加装置２５の外観斜視図である。図１１は、図１０のＥ部の拡大外観斜視図である。図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１０に示した尿素水添加装置２５の外観斜視図のＪ方向矢視およびＫ方向矢視から見た正面図および側面図であり、図１３以降の図の位置説明を行っている。図１３は、図１２（ｂ）に示す尿素水添加装置２５のＬ−Ｌ断面図である。図１４は、図１２（ｂ）中に示す尿素水添加装置２５のＭ−Ｍ断面図である。図１５は、図１２（ａ）中に示す尿素水添加装置２５のＮ−Ｎ断面図である。なお、第１実施形態または第２実施形態と同様な構成については、同符号を使用し、説明は省略する。
【００４２】
図９に示すように、本実施形態に係る流体混合装置３００を備えた尿素水添加装置２５を有する排気処理装置５００は、例えば、ディーゼルエンジン１から排出された排気１２が流れる煙道内において還元剤となる尿素水を供給するための尿素水添加装置２５と、その上流に配設され、黒煙粒子等の微粒子を除去するための微粒子除去装置ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１７と、尿素水添加装置２５の下流側に配設され、排気中のＮＯｘを処理するための脱硝触媒１８と、を備えている。
【００４３】
脱硝触媒１８は、還元剤である尿素水およびその蒸気や加水分解触媒反応により生成されたアンモニアによって排気１２中のＮＯｘの還元反応を促進させＮＯｘの外気への排出量を低減する機能を備えた触媒である。なお、脱硝触媒１８の下流側には、煙道およびマフラ等（図示せず）が配設され、排気は、大気中に排出される。
【００４４】
図９、図１０、図１２および図１３に示すように、尿素水添加装置２５は、噴射弁２７を備えた噴射装置２９を有し、後記するように、分流させた分流排気１４を通過させる伝熱管４２へ、還元剤である尿素水４を噴射させている。また、尿素水添加装置２５の煙道１０には、通路断面積が一旦縮小された絞り部３９が形成されている。この絞り部３９の内部には、排気１３の流れの軸流方向と平行に複数の縮流路２５９が配設されている。また、それぞれの縮流路２５９、・・、２５９は、縮流路２５９の上下流の煙道１０と連通している。
【００４５】
それぞれの縮流部２５９、・・、２５９とその上流側の煙道１０は、バイパスされた通路である分流通路４１等で連通されている。その流路は、絞り部３９の上流側の煙道１０内を流れる軸流方向に沿った排気１３の流れに対して対向するように開口している分流通路入口４０から、分流通路４１を介して、その下流側に配設された旋回室３３と連通している。ここで、旋回室３３内には、伝熱管旋回翼３０が配設されており、旋回室３３の下流側には、伝熱管４２が配設されている。
【００４６】
伝熱管４２の出口近傍の内部には、加水分解触媒４４が配設されている。伝熱管４２の外縁部には、発熱体であるヒータ４３が配設され、ヒータ４３が加熱されることにより、伝熱管４２の内壁面が加熱され、その内部を流れる噴霧３５の気化が促進される。ヒータ４３は、外筒４７に内挿されており、外気と直接接することが無い断熱構造としている。
【００４７】
伝熱管４２に間挿された加水分解触媒４４の下流側は、外筒４７内部と連通した外筒底部５０が取り付けられ、そして、外筒底部５０の出口部は、加水分解触媒４５を備えている。
加水分解触媒４５の出口部は、整圧室通路２０を介して、絞り部３９の外壁部と縮流路２５９の外壁部で形成される空間の整圧室２６１と連通している。図１１、図１４に示すように、縮流路２５９と上流分散板２５６との間に噴出口２５７が形成されており、整圧室２６１と縮流路２５９とは連通している。
このように、煙道１０は、分流通路入口４０、分流通路４１、旋回室３３、伝熱管４２、外筒底部５０、整圧室２６１、開口２５７を介して、縮流路２５９に連通している。
【００４８】
つぎに、図９等を用いて、エンジン１から排出されるＮＯｘの還元剤である尿素水４の供給経路につき説明する。尿素水タンク３内に予め貯蔵された尿素水４は、ポンプ６にて吸引され、フィルタ５とポンプ６を通過する。その後、ポンプ６から吐出された尿素水４は、所定圧力に調整され、噴射弁２７へ供給される。ここで、噴射弁２７への調圧は、ポンプ６の下流側のタンク３と連通する流路途中で分岐された流路に配設された圧力調整弁７にて調圧される。
【００４９】
つぎに、噴射弁２７から噴射される尿素水４の脱硝触媒１８への供給について図９、図１３等を用いて説明する。排気１２の一部である分流排気１４は、分流通路入口４０から分流通路４１内に流入する（図９参照）。そして、分流排気１４は、分流通路４１を通って旋回室３３に流入する（図１３参照）。旋回室３３の内部には、円筒状のリングの端面に複数の翼形状の突起が形成された伝熱管旋回翼３０が備えられている。旋回室３３の内壁面と伝熱管旋回翼３０の間には空間が形成され、その空間に分流通路４１から流入した分流排気１４が流入する。
【００５０】
空間に流入した分流排気１４は、伝熱管旋回翼３０を通過する際に旋回流を形成しながら、伝熱管４２内に流入する。なお、伝熱管旋回翼３０を介して、伝熱管４２内に流入する分流排気１４は、伝熱管旋回翼３０に形成された複数の翼（図示せず）の間をほぼ均一流量で通過するように各翼の間隔を調整して配設されている。
【００５１】
したがって、伝熱管４２内に流入する分流排気１４は、伝熱管旋回翼３０を通過することによって、伝熱管４２入口部の周方向から、ぼほ均一流量で旋回流入される。このようにすることで、流れが直角曲り管内を通過する場合に比べて、分流排気が偏流することを抑制できるために通路圧損が低減でき、効率良く分流排気１４を伝熱管内へ流入させることができる。
【００５２】
さらに、かかる構成によれば、伝熱管４２で効率よく旋回流れが形成され、伝熱管４２の内面に噴射された噴霧３５をこの旋回流れに同伴させることができ、噴霧３５を伝熱管４２の内壁面へ強制的に接触させることが可能となる。よって、噴霧３５中の液滴が伝熱管４２の内壁面へ接触させる時間を拡大させることができる。すなわち、伝熱管４２にて噴霧３５の液滴が流れる流跡（流路）長さを拡大することができるために、効率よく噴霧３５を気化促進することができる。
【００５３】
伝熱管４２の内部にて、尿素の蒸気および液滴を気化促進したのち、加水分解触媒４４、４５にて、加水分解し、アンモニアを生成する。また、伝熱管４２の外周にヒータ４３を備えた伝熱管４２に加水分解触媒４４を間挿したことにより、ヒータ４３で加熱し、加水分解触媒４４を活性化温度まで昇温することができる。このため、排気１２、１４の温度が加水分解触媒４４の活性化温度以下であっても、ヒータ４３で加熱され、伝熱管４２に間挿された加水分解触媒４４を活性化温度まで昇温することができる。そして、加水分解触媒４４を通過した反応ガス１９は、さらに加水分解触媒４５を通過し、アンモニアガス１５となる。かかる構成によれば、アンモニアガス１５を効率的に生成することができる。
【００５４】
アンモニアガス１５は、加水分解触媒４５の下流に配設された整圧室２６１に流入し、複数の縮流路２５９と上流分散板２５６との間に形成された噴出口２５７から、縮流路２５９へ吸引され、供給される。
【００５５】
ここで、煙道１０を通過する主流排気１３は、縮流路２５９を通過する際の抵抗のために流速が速くなる。また、流入口２６０（図１０参照）において、排気１３の流れに剥離が生じるために、縮流路２５９に流入した排気１３の流れが乱れる。乱れた流れの領域である剥離領域に、噴出口２５７が配設されているために、排気１３とアンモニアガス１５の混合を促進することができる。そして、混合が促進された混合ガス１６が脱硝触媒１８へ供給されることによって、高い脱硝性能を得ることができる。
【００５６】
図１５に示すように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、縮流路２５９の内部において混合の促進が図られるとともに、縮流路２５９の下流側においても、混合流体１６の縦渦Ｖ３が形成でき、より一層の混合の促進を図ることができる。また、煙道１０の軸流方向垂直断面に縮流路２５９を所定位置に配設することによって、下流分散板２５６の後流の流路断面の所定位置において、アンモニアガスの濃度を所定の濃度分布とすることができ、このアンモニアガスを脱硝触媒１８に供給することができる。なお、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、縮流路２５９の下流で、脱硝触媒１８の上流側端面において、第２の流体であるアンモニアの濃度が周縁部に比べて中心部を濃くする分布となるように設計されている。
【００５７】
ここで、脱硝触媒１８へのアンモニア濃度分布を均一に供給したい場合について整理すると、（１）各縮流路２５９の開口面積に差異を設けることにより、縮流路２５９を通過する排気１３の流量（流速）を変えたり、（２）それぞれの縮流路２５９、・・、２５９および単一の縮流路２５９において、アンモニアガス１５が通過する噴出口２５７の開口面積に差異を設けることにより、縮流路２５９へ流入するアンモニアガス１５の流入量を異ならせたり、（３）それぞれの縮流路２５９、・・、２５９において、縮流路２５９の開口断面積に対して、流入口２６０の開口断面積を小さくし、その割合を変えることによって、縮流路２５９の入口部付近での第１の流体の流れの剥離領域を大きくし、形成される負圧領域に差異を設けることによって、縮流路２５９へ流入するアンモニアガス１５の流入量を異ならせたりすることができる。そして、前記した（１）から（３）の組み合わせによって、各縮流路２５９を通過する排気１３とアンモニアガス１５の流量割合を調整することによって、縮流路２５９の下流に配設された脱硝触媒１８へのアンモニアガス１５の濃度分布を均一とすることが可能となる。
【００５８】
本実施形態の構成によれば、排気１３とアンモニアガス１５が縮流路２５９を通過し、、その後、下流側の空間で、縦渦Ｖ３を形成することが実現でき、排気１３とアンモニアガス１５のさらなる混合促進を図ることができる。そして、縮流路２５９の構成によっては、脱硝触媒１８へのアンモニアガス１５の濃度分布を予め調整することもできる。脱硝触媒１８への還元剤であるアンモニアガス１５の濃度分布を予め調整可能であるために、脱硝触媒１８にて効率よくＮＯｘを還元可能となり、高い脱硝性能を得ることができる。
【００５９】
以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。
すなわち、本発明による流体混合装置は、エンジン排ガスのＮＯｘを低減するための尿素添加装置や、エンジン排ガスを吸気に吸い込ませて混合するＥＧＲ装置、ガス燃料を空気に混合させて、燃焼を起す燃焼器、燃料電池で炭化水素系ガスを改質して水素を発生させる際に生じる一酸化炭素に空気を混ぜて酸化させることによる削減する改質器などに用いることが出来る。一般に、複数のガスによる化学反応では、濃度が均一になっていることが狙い通りの反応を起させるのために有利であり、ガスを流しながら混合させる装置における複数の流体の混合を促進し、さらに装置自体の小型化に寄与する本発明は、多様な化学プロセスに用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置の外観斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置であり、（ａ）は、図１の矢視Ａから見た正面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ側断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置であり、図２（ｂ）のＤ部を拡大した即断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置であり、図２（ｂ）のＣ−Ｃ断面における正面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置の流体解析結果であり、（ａ）は、図２（ｂ）のＤ部の縮流部断面部における速度ベクトル、（ｂ）は、同位置における圧力分布を示す。
【図６】本発明の第１実施形態に係る流体混合装置の流体解析結果であり、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面における速度ベクトルを示す。
【図７】本発明の第２実施形態に係る流体混合装置の外観斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る流体混合装置の流体解析結果であり、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面と同じ領域における速度ベクトルを示す。
【図９】本発明の第３実施形態に係る排気処理装置の全体構成とその周辺構成を示した側断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置の外観斜視図であり、図９のI部について、拡大したものである。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置の外観斜視図であり、図１０のＥ部について、拡大したものである。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置であり、（ａ）は図１０のＪ方向から見た正面図、および（ｂ）は図１０のＫ方向から見た側面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置であり、図１２（ｂ）のＬ−Ｌ断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置であり、図１２（ｂ）のＭ−Ｍ断面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る尿素水添加装置であり、図１２のＮ−Ｎ断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１      ディーゼルエンジン
３      尿素水タンク
４      尿素水
５      フィルター
６      ポンプ
７      圧力調整弁
１２、１３  排気
１４    分流排気
１５    アンモニアガス
１６    混合ガス
１７    ＤＰＦ
１８    脱硝触媒
２０    整圧室通路
２５    尿素添加装置
２７    噴射弁
３０    伝熱管旋回翼
４０    分流通路入口
４１    分流通路
４２    伝熱管
４３    ヒータ
４４，４５  加水分解触媒
５１    庇
５４    第１流路
５４Ｕ  第１流路上流
５４Ｄ  第１流路下流
５５    下流分散板
５６    上流分散板
５７    噴出口
５８    第２流路
５９    縮流路
６０    流入口
６１    整圧室
１００  第１実施形態に係る流体混合装置
１１０  縮流部
１２０  噴出部
１３０  流入口部
２００  第２実施形態に係る流体混合装置
３００  第３実施形態に係る流体混合装置
５００  第３実施形態に係る流体混合装置を備えた排気処理装置
ＩＮ，ＯＵＴ  第１流体の流れ
ＩＮ２  第２流体の流れ
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３  縦渦
【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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