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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-07
(45)【発行日】2023-09-15
(54)【発明の名称】排ガス浄化装置用混合器、排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法
(51)【国際特許分類】
F01N 3/24 20060101AFI20230908BHJP
F01N 3/08 20060101ALI20230908BHJP
B01F 23/213 20220101ALI20230908BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20230908BHJP
B01F 25/431 20220101ALI20230908BHJP
B01F 35/221 20220101ALI20230908BHJP
B01F 35/222 20220101ALI20230908BHJP
B01F 35/90 20220101ALI20230908BHJP
【ＦＩ】
F01N3/24 N
F01N3/08 B ZAB
F01N3/24 L
B01F23/213
B01D53/94 222
B01F25/431
B01F35/221
B01F35/222
B01F35/90
【請求項の数】
25
(21)【出願番号】P 2020008536
(22)【出願日】2020-01-22
(65)【公開番号】P2020197208
(43)【公開日】2020-12-10
【審査請求日】2022-10-18
(31)【優先権主張番号】P 2019100989
(32)【優先日】2019-05-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】宮入 由紀夫
(72)【発明者】
【氏名】桝田 昌明
(72)【発明者】
【氏名】林 伸三
(72)【発明者】
【氏名】高木 義文
【審査官】畔津 圭介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－００７４４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０８６０２０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０１Ｎ ３／２４
Ｆ０１Ｎ ３／０８
Ｂ０１Ｆ ２３／１０
Ｂ０１Ｄ ５３／９４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁性セラミックス製の外筒と、前記外筒の内側に設けられた絶縁性セラミックス製のフィンと、
前記フィン、又は前記外筒と前記フィンとの両方に埋設された電熱部と
を備える排ガス浄化装置用混合器。
【請求項2】
前記外筒と前記フィンとが一体成形されている、請求項１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項3】
前記絶縁性セラミックスが緻密質である、請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項4】
前記外筒及び前記フィンに用いられる前記絶縁性セラミックスが同一材料である、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項5】
前記絶縁性セラミックスの熱容量が４．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項6】
前記絶縁性セラミックスの熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項7】
前記排ガス浄化装置用混合器は、前記外筒内に埋設されるとともに前記電熱部と接続された引き出し部を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項8】
前記排ガス浄化装置用混合器は、前記外筒の外周面に設けられるとともに前記電熱部の端部と接続された電気接続用端子を更に備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項9】
前記排ガス浄化装置用混合器は、前記外筒の外周面に設けられるとともに前記引き出し部と接続された電気接続用端子を更に備える、請求項７に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項10】
前記電熱部は、少なくとも２つの領域で発熱密度が異なるように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項11】
前記電熱部は、前記排ガス浄化装置用混合器を流通する排ガスの流れに対して、上流側に位置する領域Ａの発熱密度が、下流側に位置する領域Ｂの発熱密度よりも大きくなるように構成されている、請求項１０に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項12】
前記電熱部は、噴射される尿素の液滴が当たる領域の発熱密度が、噴射される尿素の液滴が当たらない領域の発熱密度よりも大きくなるように構成されている、請求項１０に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項13】
前記電熱部は配線構造を有し、前記発熱密度は、配線材料、配線長さ、配線厚さ及び配線幅から選択される１つ以上の条件による配線の電気抵抗の調整で制御される、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項14】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線の電気抵抗が、前記領域Ｂの配線の電気抵抗よりも小さい、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項15】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線の電気抵抗が、前記領域Ｂの配線の電気抵抗よりも大きい、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項16】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線が前記領域Ｂの配線よりも粗に配置されている、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項17】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線及び前記領域Ｂの配線がそれぞれ並列に配設されており、且つ前記領域Ａの配線が前記領域Ｂの配線よりも密に配置されている、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項18】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線及び前記領域Ｂの配線がそれぞれ直列に配設されており、且つ前記領域Ａの配線が、前記領域Ｂの配線よりも密に配置されている、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項19】
前記電熱部は、前記領域Ａと前記領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有し、前記領域Ａの配線及び前記領域Ｂの配線がそれぞれ並列に配設されており、且つ前記領域Ａの配線が、前記領域Ｂの配線よりも粗に配置されている、請求項１１に記載の排ガス浄化装置用混合器。
【請求項20】
排ガスが流通可能な排気筒と、前記排気筒内に配置されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載の１つ以上の排ガス浄化装置用混合器と、
前記排気筒と前記１つ以上の排ガス浄化装置用混合器との間に設けられた圧縮弾性部材と
を備える排ガス浄化装置。
【請求項21】
前記圧縮弾性部材がセラミックス繊維マットである、請求項２０に記載の排ガス浄化装置。
【請求項22】
外部電源に接続されるように構成され、且つ、前記排気筒と電気絶縁された第１コネクタ部材を更に備え、前記第１コネクタ部材が、前記排ガス浄化装置用混合器の前記電熱部と電気的に接続されている、請求項２０又は２１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項23】
前記排気筒に接地されるように構成された第２コネクタ部材を更に備え、前記第２コネクタ部材が、前記排ガス浄化装置用混合器の前記電熱部と電気的に接続されている、請求項２２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項24】
前記排気筒内に尿素を噴射するための１つ以上の尿素噴射ノズルと、前記尿素が噴射される位置よりも下流側の前記排気筒に配置された１つ以上のＳＣＲ触媒と
を更に備え、
前記排ガス浄化装置用混合器の少なくとも１つが、前記尿素噴射ノズルよりも下流側且つ前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気筒内に配置されている、請求項２０～２３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項25】
請求項２０～２４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置を用いた排ガス浄化方法であって、排ガス温度が所定値以上の高い温度のときは、前記排ガス浄化装置用混合器の電熱部に通電しない状態で尿素を前記フィンに噴射し、
排ガス温度が所定値未満の低い温度のときは、前記排ガス浄化装置用混合器の電熱部に通電した状態で前記尿素を前記フィンに噴射する排ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排ガス浄化装置用混合器、排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車排ガスの有害成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ）の低減に対する要求が高まっている。特に、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘの浄化は重要な課題である。
ＮＯｘ浄化の方策としては、尿素ＳＣＲシステムと呼ばれる技術が一般に知られている（例えば、特許文献１）。
ＮＯｘ浄化の方策としては、尿素ＳＣＲシステムと呼ばれる技術が一般に知られている（例えば、特許文献１）。
【0003】
尿素からＮＯｘ還元剤となるＮＨ3を効率的に得るためには、尿素の熱分解及び加水分解が必要であり、２００℃以上に雰囲気を制御しなくてはならない。
そこで、特許文献２には、尿素（尿素水）を微粒化するために用いられるキャリアガスをキャリアガス加熱部によって加熱するとともに、触媒部にグロープラグを挿入して通電加熱することにより、尿素を熱分解及び加水分解する技術が開示されている。
しかしながら、この技術は、尿素を微粒化するためにキャリアガスを用いることを前提としており、尿素を排ガスに直接噴射するものではない。
そこで、特許文献２には、尿素（尿素水）を微粒化するために用いられるキャリアガスをキャリアガス加熱部によって加熱するとともに、触媒部にグロープラグを挿入して通電加熱することにより、尿素を熱分解及び加水分解する技術が開示されている。
しかしながら、この技術は、尿素を微粒化するためにキャリアガスを用いることを前提としており、尿素を排ガスに直接噴射するものではない。
【0004】
ここで、尿素の熱分解及び加水分解は、以下の反応式によって表される。
熱分解：（ＮＨ2）2ＣＯ→ＮＨ3＋ＨＮＣＯ
加水分解：ＨＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ3＋ＣＯ2
熱分解：（ＮＨ2）2ＣＯ→ＮＨ3＋ＨＮＣＯ
加水分解：ＨＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ3＋ＣＯ2
【0005】
また、尿素の二段階の反応（熱分解及び加水分解）を効率良く速やかに進め、生成されたＮＨ3を排ガス中に均一に分散させるために、非特許文献１には様々な混合器が提案されている。
【0006】
一方、エンジン効率の向上に伴って排ガス温度が低くなっている。また、エンジン始動直後も排ガス温度が低い。排ガス温度が低い場合、尿素を排ガスに噴射しても分解反応が起こり難いため、ＮＨ3が十分に生成されない。
そこで、特許文献３には、外径が排気通路の内径と等しい円環状のフレーム部と、フレーム部の排気下流側の面にフレーム部を周回するように設置された電熱線と、フレーム部の径方向内側に形成された複数のフィンとを有する混合器（分散装置）が提案されている。そして、この混合器は、排ガス温度が低い場合に、電熱線を通電して混合器を加熱することにより、尿素の分解反応を進めることができると記載されている。
そこで、特許文献３には、外径が排気通路の内径と等しい円環状のフレーム部と、フレーム部の排気下流側の面にフレーム部を周回するように設置された電熱線と、フレーム部の径方向内側に形成された複数のフィンとを有する混合器（分散装置）が提案されている。そして、この混合器は、排ガス温度が低い場合に、電熱線を通電して混合器を加熱することにより、尿素の分解反応を進めることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２００７－３２７３７７号公報
【文献】特開２０１２－１９７６９５号公報
【文献】特開２０１９－７４４９号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】Heike Tobben外３名、「Urea Processing - A Keyfactor in EATS Development」，27th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2018，第２１９～２３８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献３には、混合器を構成するフレーム部及びフィンの材質について具体的に記載されていないものの、このような構造を有する混合器は一般に金属製である。本発明者らの知見によれば、金属製のフレーム部及びフィンは熱容量が大きいため、電熱線を用いてフレーム部及びフィンを加熱するには時間がかかって効率的でない上、消費電力も多くなる。また、この混合器に設けられる電熱線は、フレーム部の表面に露出しているため、尿素が付着した際に錆びる可能性もある。
【0010】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、錆び難く、少ない電力で効率良く加熱することが可能な排ガス浄化装置用混合器を提供することを目的とする。
また、本発明は、排ガス温度が低い場合でも、少ない電力で長期にわたって良好なＮＯｘの浄化性能を得ることが可能な排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、排ガス温度が低い場合でも、少ない電力で長期にわたって良好なＮＯｘの浄化性能を得ることが可能な排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法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】
【0011】
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、混合器を構成する部材を、熱容量が小さい絶縁性セラミックスを用いて形成するとともに、当該部材内に電熱部を埋設することにより、上記のような問題を全て解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0012】
すなわち、本発明は、絶縁性セラミックス製の外筒と、前記外筒の内側に設けられた絶縁性セラミックス製のフィンと、前記フィン、又は前記外筒と前記フィンとの両方に埋設された電熱部とを備える排ガス浄化装置用混合器である。
【0013】
また、本発明は、排ガスが流通可能な排気筒と、前記排気筒内に配置されている、上述した１つ以上の排ガス浄化装置用混合器と、前記排気筒と前記１つ以上の排ガス浄化装置用混合器との間に設けられた圧縮弾性部材とを備える排ガス浄化装置である。
【0014】
さらに、本発明は、前記排ガス浄化装置を用いた排ガス浄化方法であって、排ガス温度が所定値以上の高い温度のときは、前記排ガス浄化装置用混合器の電熱部に通電しない状態で前記尿素を前記フィンに噴射し、排ガス温度が所定値未満の低い温度のときは、前記排ガス浄化装置用混合器の電熱部に通電した状態で前記尿素を前記フィンに噴射する排ガス浄化方法である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、錆び難く、少ない電力で効率良く加熱することが可能な排ガス浄化装置用混合器を提供することができる。
また、本発明によれば、排ガス温度が低い場合でも、少ない電力で長期にわたって良好なＮＯｘの浄化性能を得ることが可能な排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供することができる。
また、本発明によれば、排ガス温度が低い場合でも、少ない電力で長期にわたって良好なＮＯｘの浄化性能を得ることが可能な排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【図3】本発明の別の実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図である。
【図4】本発明の別の実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【図9】排ガス浄化装置用混合器の領域Ａ及びＢを説明するための概略図である。
【図10】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図11】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図12】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図13】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図14】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図15】排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。
【図16】本発明の別の実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【図18】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の断面図である。
【図19】実施例１の排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【図20】比較例１の排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【図21】比較例１の排ガス浄化装置用混合器の加熱シミュレーションの結果を示す図である。
【図22】実施例２及び実施例３の排ガス浄化装置用混合器の加熱シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【0018】
（排ガス浄化装置用混合器）
図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図であり、図２は、この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
また、図３は、本発明の別の実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図であり、図４は、この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図であり、図２は、この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
また、図３は、本発明の別の実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器の斜視図であり、図４は、この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図である。
【0019】
図１～４に示されるように、排ガス浄化装置用混合器（以下、「混合器」と略す場合がある）１Ａ，１Ｂは、外筒１０と、フィン２０と、電熱部３０とを備えている。
外筒１０は、絶縁性セラミックスから形成されている。このような構成とすることにより、外筒１０からの漏電を防止することができる。
ここで、本明細書において「絶縁性セラミックス」とは、常温（２５℃）における体積固有抵抗が１０12Ω・ｍ以上、好ましくは１０14Ω・ｍ以上のセラミックスのことを意味する。
外筒１０は、絶縁性セラミックスから形成されている。このような構成とすることにより、外筒１０からの漏電を防止することができる。
ここで、本明細書において「絶縁性セラミックス」とは、常温（２５℃）における体積固有抵抗が１０12Ω・ｍ以上、好ましくは１０14Ω・ｍ以上のセラミックスのことを意味する。
【0020】
絶縁性セラミックスとしては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。絶縁性セラミックスの例としては、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、コージェライト、ムライト、イットリア、ジルコニア、炭化珪素、マグネシアアルミナスピネル、ステアタイト、フォルステライトなどが挙げられる。これらの中でも、コージェライト、窒化珪素、アルミナが好ましい。また、これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【0021】
絶縁性セラミックスは緻密質であることが好ましい。このような構成とすることにより、噴射された尿素と接触した場合に、尿素が内部に浸透し難くなる。
ここで、本明細書において「緻密質」とは、開気孔率が５％以下のものをいう。開気孔率が５％以下の緻密質であると、尿素水がセラミックス内に表面から浸み込み、短絡することが十分に抑制される。なお、絶縁性セラミックスの開気孔率は、既存の試験方法（アルキメデス法、ＪＩＳ Ｒ１６３４：１９９８）を用いて測定することができる。
絶縁性セラミックスを緻密質にする方法としては、特に限定されないが、セラミックス原料粉末の粒径を小さくしたり、焼結助剤などを添加したりすればよい。
ここで、本明細書において「緻密質」とは、開気孔率が５％以下のものをいう。開気孔率が５％以下の緻密質であると、尿素水がセラミックス内に表面から浸み込み、短絡することが十分に抑制される。なお、絶縁性セラミックスの開気孔率は、既存の試験方法（アルキメデス法、ＪＩＳ Ｒ１６３４：１９９８）を用いて測定することができる。
絶縁性セラミックスを緻密質にする方法としては、特に限定されないが、セラミックス原料粉末の粒径を小さくしたり、焼結助剤などを添加したりすればよい。
【0022】
絶縁性セラミックスの熱容量は、特に限定されないが、好ましくは４．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ以下、より好ましくは３．０Ｊ／ｃｍ3Ｋ以下、更に好ましくは２．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ以下である。このような範囲に熱容量を制御することにより、外筒１０やフィン２０に埋設された電熱部３０の通電による外筒１０の加熱を効率的に行うことができる。また、絶縁性セラミックスの熱容量は、熱変動を大きくする観点から、好ましくは０．１Ｊ／ｃｍ3Ｋ以上、より好ましくは０．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ以上である。
例えば、緻密質コージェライトの熱容量は１．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ、窒化珪素の熱容量は２．２Ｊ／ｃｍ3Ｋ、アルミナの熱容量は３．１Ｊ／ｃｍ3Ｋ、ジルコニアの熱容量は２．９Ｊ／ｃｍ3Ｋである。
なお、絶縁性セラミックスの熱容量は次のようにして算出することができる。アルバック理工社製の断熱型比熱測定装置を用いて、絶縁性セラミックスの６００℃における単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）を測定する。なお、単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）は、ＪＩＳ Ｒ１６１１：２０１０に準拠したレーザーフラッシュ法によって測定してもよい。得られた単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）に、室温においてアルキメデス法で測定した絶縁性セラミックスの真密度（ｇ／ｃｍ3）を乗算することで、絶縁性セラミックスの単位体積あたりの熱容量（Ｊ／ｃｍ3Ｋ）を算出する。
例えば、緻密質コージェライトの熱容量は１．５Ｊ／ｃｍ3Ｋ、窒化珪素の熱容量は２．２Ｊ／ｃｍ3Ｋ、アルミナの熱容量は３．１Ｊ／ｃｍ3Ｋ、ジルコニアの熱容量は２．９Ｊ／ｃｍ3Ｋである。
なお、絶縁性セラミックスの熱容量は次のようにして算出することができる。アルバック理工社製の断熱型比熱測定装置を用いて、絶縁性セラミックスの６００℃における単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）を測定する。なお、単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）は、ＪＩＳ Ｒ１６１１：２０１０に準拠したレーザーフラッシュ法によって測定してもよい。得られた単位質量あたりの熱容量（Ｊ／ｇＫ）に、室温においてアルキメデス法で測定した絶縁性セラミックスの真密度（ｇ／ｃｍ3）を乗算することで、絶縁性セラミックスの単位体積あたりの熱容量（Ｊ／ｃｍ3Ｋ）を算出する。
【0023】
絶縁性セラミックスの熱伝導率は、特に限定されないが、好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは５０Ｗ／ｍＫ以上である。このような範囲に熱伝導率を制御することにより、外筒１０の全体を効率的に加熱することができる。また、絶縁性セラミックスの熱伝導率は、加熱効率を高め、著しい放熱を避ける観点から、好ましくは３００Ｗ／ｍＫ以下である。
例えば、緻密質コージェライトの熱伝導率は４Ｗ／ｍＫ、窒化珪素の熱伝導率は６０～９０Ｗ／ｍＫ、アルミナの熱伝導率は３０～３５Ｗ／ｍＫ、ジルコニアの熱伝導率は３Ｗ／ｍＫである。
なお、絶縁性セラミックスの熱伝導率は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１：２０１０）により測定することができる。
例えば、緻密質コージェライトの熱伝導率は４Ｗ／ｍＫ、窒化珪素の熱伝導率は６０～９０Ｗ／ｍＫ、アルミナの熱伝導率は３０～３５Ｗ／ｍＫ、ジルコニアの熱伝導率は３Ｗ／ｍＫである。
なお、絶縁性セラミックスの熱伝導率は、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１：２０１０）により測定することができる。
【0024】
絶縁性セラミックスの熱膨張率は、特に限定されないが、好ましくは４ｐｐｍ／Ｋ以下である。このような構成とすることにより、噴射された尿素と接触して急速冷却されるときの熱応力を小さくすることができるため、混合器１Ａ，１Ｂの信頼性を高めることができる。また、絶縁性セラミックスの熱膨張率は、埋設する電熱部３０と絶縁性セラミックスとの熱膨張差による外筒１０やフィン２０の破損を抑制する観点から、好ましくは１ｐｐｍ／Ｋ以上である。
例えば、緻密質コージェライトの熱膨張率は１．６ｐｐｍ／Ｋ、窒化珪素の熱膨張率は３．０～３．２ｐｐｍ／Ｋ、アルミナの熱膨張率は７．５～８．５ｐｐｍ／Ｋ、ジルコニアの熱膨張率は１０～１１ｐｐｍ／Ｋである。
なお、絶縁性セラミックスの熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ１６１８：２００２に準拠して測定することができる。
例えば、緻密質コージェライトの熱膨張率は１．６ｐｐｍ／Ｋ、窒化珪素の熱膨張率は３．０～３．２ｐｐｍ／Ｋ、アルミナの熱膨張率は７．５～８．５ｐｐｍ／Ｋ、ジルコニアの熱膨張率は１０～１１ｐｐｍ／Ｋである。
なお、絶縁性セラミックスの熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ１６１８：２００２に準拠して測定することができる。
【0025】
絶縁性セラミックスのヤング率は、特に限定されないが、好ましくは３００ＧＰａ以下である。このような構成とすることにより、噴射された尿素と接触して急速冷却されるときの熱応力を小さくすることができるため、混合器１Ａ，１Ｂの信頼性を高めることができる。また、絶縁性セラミックスのヤング率は、車載環境下の振動での変形や破壊を抑制する観点から、好ましくは１００ＧＰａ以上である。
例えば、緻密質コージェライトのヤング率は１５０ＧＰａ、窒化珪素のヤング率は２８０ＧＰａ、アルミナのヤング率は３５０ＧＰａ、ジルコニアのヤング率は２００ＧＰａである。
なお、絶縁性セラミックスのヤング率は次のようにして算出することができる。絶縁性セラミックスについて、ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８に示される４点曲げ強さ試験法に準拠することにより曲げ強さを測定し、この測定結果から「応力－歪曲線」を作成する。このようにして得られた「応力－歪曲線」の傾きを算出し、この「応力－歪曲線」の傾きをヤング率とする。
例えば、緻密質コージェライトのヤング率は１５０ＧＰａ、窒化珪素のヤング率は２８０ＧＰａ、アルミナのヤング率は３５０ＧＰａ、ジルコニアのヤング率は２００ＧＰａである。
なお、絶縁性セラミックスのヤング率は次のようにして算出することができる。絶縁性セラミックスについて、ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８に示される４点曲げ強さ試験法に準拠することにより曲げ強さを測定し、この測定結果から「応力－歪曲線」を作成する。このようにして得られた「応力－歪曲線」の傾きを算出し、この「応力－歪曲線」の傾きをヤング率とする。
【0026】
フィン２０は、外筒１０の内側に設けられている。フィン２０は、噴射された尿素と衝突して尿素を周囲に飛散させるとともに、フィン２０の間を通過する排ガスに旋回流を生じさせる機能を有する。また、フィン２０は、排ガス温度が低い場合に、加熱することによって尿素の分解反応を進行させ、ＮＨ3を生成させる機能も有する。このような機能により、尿素又はＮＨ3の排ガスへの分散を促進させることができる。
【0027】
フィン２０は、外筒１０と同様に、絶縁性セラミックスから形成されている。このような構成とすることにより、フィン２０からの漏電を防止することができる。
フィン２０に用いられる絶縁性セラミックスは、外筒１０に用いられる絶縁性セラミックスと同一の材料であっても異なる材料であってもよいが、生産性の観点からは同一の材料であることが好ましい。
フィン２０に用いられる絶縁性セラミックスは、外筒１０に用いられる絶縁性セラミックスと同一の材料であっても異なる材料であってもよいが、生産性の観点からは同一の材料であることが好ましい。
【0028】
フィン２０の形状は、特に限定されず、当該技術分野において公知の各種形状とすることができる。例えば、フィン２０は、平面を有していても曲面を有していてもよいが、混合器１Ａ，１Ｂに噴射された尿素の流れ方向に対して傾斜角を有していることが好ましい。このような構成とすることにより、混合器１Ａ，１Ｂに噴射された尿素をフィン２０に安定して接触させることができる。
【0029】
フィン２０の全体構造としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の各種構造とすることができる。例えば、図１及び２に示されるような外筒１０の中心軸周りに設けられた螺旋状の４枚のフィン２０を有する構造とすることができる。また、図３及び４に示されるような、外筒１０の中心軸に設けられた円盤状のフィン２０と、円盤状のフィン２０の周りに放射状に設けられた板状のフィン２０とを組み合わせた構造としてもよい。後者の構造では、板状のフィン２０は、外筒１０の中心軸に直交する平面に対して一定の角度で傾いた状態で配置される。
【0030】
外筒１０とフィン２０とは、個別に作製した後に接着剤などを用いて接合してもよいが、一体成形されていることが好ましい。外筒１０とフィン２０とを一体成形することにより、フィン２０と外筒１０との接合強度を高めるだけでなく、熱の流れやフィン２０の生産性も向上する。
【0031】
電熱部３０は、外筒１０及び／又はフィン２０の少なくとも一部に埋設されている。
ここで、混合器１Ａ，１Ｂにおいて、外筒１０に露出した電熱部３０周辺の部分拡大断面図を図５に示す。図５では、外筒１０及びフィン２０の少なくとも一部に電熱部３０が埋設されている。このように電熱部３０を埋設することにより、尿素に電熱部３０が接触しないため、電熱部３０に錆が発生することを抑制することができる。また、外筒１０及びフィン２０は、熱容量が小さい絶縁性セラミックスを用いて形成されているため、埋設された電熱部３０に通電することによって迅速に加熱することができ、消費電力も少ない。
ここで、混合器１Ａ，１Ｂにおいて、外筒１０に露出した電熱部３０周辺の部分拡大断面図を図５に示す。図５では、外筒１０及びフィン２０の少なくとも一部に電熱部３０が埋設されている。このように電熱部３０を埋設することにより、尿素に電熱部３０が接触しないため、電熱部３０に錆が発生することを抑制することができる。また、外筒１０及びフィン２０は、熱容量が小さい絶縁性セラミックスを用いて形成されているため、埋設された電熱部３０に通電することによって迅速に加熱することができ、消費電力も少ない。
【0032】
図５では、外筒１０及びフィン２０の少なくとも一部に電熱部３０を埋設した例を示したが、外筒１０又はフィン２０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設してもよい（すなわち、外筒１０又はフィン２０のどちらか一方に電熱部３０が埋設されていなくてもよい）。
フィン２０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設する場合、図６に示されるように、外筒１０内に埋設されるとともに電熱部３０と接続された引き出し部５０を設ければよい。このような構成とすることにより、フィン２０の少なくとも一部のみに埋設された電熱部３０を引き出し部５０によって外部と電気的に接続させることが可能になる。また、外筒１０及びフィン２０の少なくとも一部に電熱部３０を埋設した場合や、外筒１０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設した場合にも引き出し部５０を設け、引き出し部５０によって外部と電気的に接続してもよい。
引き出し部５０としては、特に限定されないが、加熱されないようにするために、電熱部３０に比べて抵抗を十分に低くするように構成することが好ましい。例えば、引き出し部５０は電熱部３０と同一の材料から形成してもよく、抵抗を低くするために、電熱部３０に比べて引き出し部５０の幅及び厚さを大きくすることが好ましい。
なお、外筒１０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設した場合、電熱部３０に通電することによって加熱された外筒１０の熱がフィン２０にも伝達されるため、外筒１０及びフィン２０の両方を加熱することができる。
フィン２０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設する場合、図６に示されるように、外筒１０内に埋設されるとともに電熱部３０と接続された引き出し部５０を設ければよい。このような構成とすることにより、フィン２０の少なくとも一部のみに埋設された電熱部３０を引き出し部５０によって外部と電気的に接続させることが可能になる。また、外筒１０及びフィン２０の少なくとも一部に電熱部３０を埋設した場合や、外筒１０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設した場合にも引き出し部５０を設け、引き出し部５０によって外部と電気的に接続してもよい。
引き出し部５０としては、特に限定されないが、加熱されないようにするために、電熱部３０に比べて抵抗を十分に低くするように構成することが好ましい。例えば、引き出し部５０は電熱部３０と同一の材料から形成してもよく、抵抗を低くするために、電熱部３０に比べて引き出し部５０の幅及び厚さを大きくすることが好ましい。
なお、外筒１０の少なくとも一部のみに電熱部３０を埋設した場合、電熱部３０に通電することによって加熱された外筒１０の熱がフィン２０にも伝達されるため、外筒１０及びフィン２０の両方を加熱することができる。
【0033】
電熱部３０は、通電によって発熱する材料から形成されている。具体的には、電熱部３０は、Ｎｉ－Ｃｒ系合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ系合金、Ｗ合金、Ｍｏ合金、ＷやＭｏを含むサーメットなどの公知の材料から形成することができる。
電熱部３０の形状は、特に限定されず、線状、板状、シート状などの各種形状とすることができる。
電熱部３０の形状は、特に限定されず、線状、板状、シート状などの各種形状とすることができる。
【0034】
少なくとも一部に電熱部３０が埋設された外筒１０及びフィン２０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは０．５～１０ｍｍ、より好ましくは１～１０ｍｍである。外筒１０及びフィン２０の厚さを０．５ｍｍ以上とすることにより、外筒１０及びフィン２０の耐久性を確保することができる。また、外筒１０及びフィン２０の厚さを１０ｍｍ以下とすることにより、混合器１Ａ，１Ｂを軽量化することができる。
【0035】
混合器１Ａ，１Ｂは、外筒１０の外周面に設けられた電気接続用端子を更に備えていてもよい。
ここで、図５の部分拡大断面図において、電気接続用端子を更に設けた場合の例を図７に示す。図７に示されるように、電気接続用端子４０は、外筒１０の外周面に設けられており、電熱部３０の端部（外筒１０の外周面に露出した部分）と接続される。このような構成とすることにより、外部電源との接続が容易になる。
また、図６の部分拡大断面図において、電気接続用端子を更に設けた場合の例を図８に示す。図８に示されるように、外筒１０内に埋設された引き出し部５０を有する場合、電気接続用端子４０は、引き出し部５０（外筒１０の外周面に露出した部分）と接続される。このような構成とすることにより、外部電源との接続が容易になる。
ここで、図５の部分拡大断面図において、電気接続用端子を更に設けた場合の例を図７に示す。図７に示されるように、電気接続用端子４０は、外筒１０の外周面に設けられており、電熱部３０の端部（外筒１０の外周面に露出した部分）と接続される。このような構成とすることにより、外部電源との接続が容易になる。
また、図６の部分拡大断面図において、電気接続用端子を更に設けた場合の例を図８に示す。図８に示されるように、外筒１０内に埋設された引き出し部５０を有する場合、電気接続用端子４０は、引き出し部５０（外筒１０の外周面に露出した部分）と接続される。このような構成とすることにより、外部電源との接続が容易になる。
【0036】
電熱部３０は、少なくとも２つの領域で発熱密度が異なるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、フィン２０の材質などによって、表面温度が低くなり易い領域と表面温度が低くなり難い領域とが複数存在する場合に、これらの複数の領域の表面温度の差を小さくすることができる。すなわち、表面温度が低くなり易い領域の発熱密度を高くするとともに、表面温度が低くなり難い部分の発熱密度を低くするように電熱部３０を構成することにより、表面温度が低くなり易い領域と表面温度が低くなり難い領域との表面温度の差を小さくすることができる。
【0037】
例えば、混合器１Ａ，１Ｂを構成する外筒１０及びフィン２０が、絶縁性セラミックスの中でも熱伝導率が小さい緻密質コージェライトなどから形成されている場合、混合器１Ａ，１Ｂを流通する排ガスの流れに対して、下流側に位置する領域Ｂの表面温度に比べて上流側に位置する領域Ａの表面温度が低くなり易い。本明細書において、混合器１Ａ，１Ｂを流通する排ガスの流れに対して、「上流側に位置する領域Ａ」及び「下流側に位置する領域Ｂ」とは、図９に示されるように、混合器１Ａ，１Ｂの排ガスの流れ方向長さを２等分したときの上流側に位置する領域Ａ及び下流側に位置する領域Ｂのことをそれぞれ意味する。
この場合、領域Ａの表面温度を所定の温度に高めるためには、領域Ａに供給する電力量を多くすることが要求される。しかしながら、領域Ａに供給する電力量を多くすると、領域Ｂの表面温度まで必要以上に高くなり、無駄な消費電力が増加することがある。
そこで、電熱部３０は、混合器１Ａ，１Ｂを流通する排ガスの流れに対して、上流側に位置する領域Ａの発熱密度が、下流側に位置する領域Ｂの発熱密度よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
この場合、領域Ａの表面温度を所定の温度に高めるためには、領域Ａに供給する電力量を多くすることが要求される。しかしながら、領域Ａに供給する電力量を多くすると、領域Ｂの表面温度まで必要以上に高くなり、無駄な消費電力が増加することがある。
そこで、電熱部３０は、混合器１Ａ，１Ｂを流通する排ガスの流れに対して、上流側に位置する領域Ａの発熱密度が、下流側に位置する領域Ｂの発熱密度よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0038】
また、混合器１Ａ，１Ｂに尿素が直接噴射される場合、噴射される尿素の液滴が当たる領域の表面温度は、吸熱反応によって低下するため、噴射される尿素の液滴が当たらない領域の表面温度よりも低くなり易い。この場合、噴射される尿素の液滴が当たる領域の表面温度を所定の温度に高めるためには、噴射される尿素の液滴が当たる領域に供給する電力量を多くすることが要求される。しかしながら、噴射される尿素の液滴が当たる領域に供給する電力量を多くすると、噴射される尿素の液滴が当たらない領域の表面温度まで必要以上に高くなり、無駄な消費電力が増加することがある。
そこで、電熱部３０は、噴射される尿素の液滴が当たる領域の発熱密度が、噴射される尿素の液滴が当たらない領域の発熱密度よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、所定の電力量で、噴射される尿素の液滴が当たらない領域よりも噴射される尿素の液滴が当たる領域が発熱し易くなるため、噴射される尿素の液滴が当たる領域の表面温度と噴射される尿素の液滴が当たらない領域との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
そこで、電熱部３０は、噴射される尿素の液滴が当たる領域の発熱密度が、噴射される尿素の液滴が当たらない領域の発熱密度よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、所定の電力量で、噴射される尿素の液滴が当たらない領域よりも噴射される尿素の液滴が当たる領域が発熱し易くなるため、噴射される尿素の液滴が当たる領域の表面温度と噴射される尿素の液滴が当たらない領域との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0039】
電熱部３０は配線構造を有し、発熱密度は、配線材料、配線長さ、配線厚さ及び配線幅から選択される１つ以上の条件による配線の電気抵抗の調整で制御されることが好ましい。このような構成とすることにより、電熱部３０の発熱密度を容易に制御することができる。
ここで、電熱部３０の配線構造の例を図１０～１５に示す。図１０～１５は、排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。なお、これらの図は、理解を容易にするために、１つのフィン２０が排ガスの流れ方向に平行に形成されている場合を示している。
ここで、電熱部３０の配線構造の例を図１０～１５に示す。図１０～１５は、排ガス浄化装置用混合器の排ガスの流れ方向に平行な断面の部分拡大図である。なお、これらの図は、理解を容易にするために、１つのフィン２０が排ガスの流れ方向に平行に形成されている場合を示している。
【0040】
図１０に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有する。この配線構造において、領域Ｂの配線３０ｂ（電熱部３０）に用いられる配線材料よりも電気抵抗が小さい配線材料を領域Ａの配線３０ａ（電熱部３０）に用いることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗が、領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも小さくなるように制御されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
なお、図１０に示す電熱部３０の配線構造において、領域Ａの配線３０ａ及び領域Ｂの配線３０ｂに用いられる配線材料を同一とした場合であっても、領域Ａの配線３０ａの配線厚さ及び／又は配線幅を領域Ｂの配線３０ｂの配線厚さ及び／又は配線幅よりも小さくすることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗を領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも小さくすることができる。
なお、図１０に示す電熱部３０の配線構造において、領域Ａの配線３０ａ及び領域Ｂの配線３０ｂに用いられる配線材料を同一とした場合であっても、領域Ａの配線３０ａの配線厚さ及び／又は配線幅を領域Ｂの配線３０ｂの配線厚さ及び／又は配線幅よりも小さくすることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗を領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも小さくすることができる。
【0041】
図１１に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有する。この配線構造において、領域Ｂの配線３０ｂ（電熱部３０）に用いられる配線材料よりも電気抵抗が大きい配線材料を領域Ａの配線３０ａ（電熱部３０）に用いることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗が、領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも大きくなるように制御されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
なお、図１１に示す電熱部３０の配線構造において、領域Ａの配線３０ａ及び領域Ｂの配線３０ｂに用いられる配線材料を同一とした場合であっても、領域Ａの配線３０ａの配線厚さ及び／又は配線幅を領域Ｂの配線３０ｂの配線厚さ及び／又は配線幅よりも大きくすることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗を領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも大きくすることができる。
なお、図１１に示す電熱部３０の配線構造において、領域Ａの配線３０ａ及び領域Ｂの配線３０ｂに用いられる配線材料を同一とした場合であっても、領域Ａの配線３０ａの配線厚さ及び／又は配線幅を領域Ｂの配線３０ｂの配線厚さ及び／又は配線幅よりも大きくすることにより、領域Ａの配線３０ａの電気抵抗を領域Ｂの配線３０ｂの電気抵抗よりも大きくすることができる。
【0042】
図１２に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有する。この並列配線構造において、領域Ａの配線が領域Ｂの配線よりも粗に配置されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0043】
図１３に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に並列に配設された配線構造を有する。この配線構造において、領域Ａの配線及び領域Ｂの配線がそれぞれ並列に配設されており、且つ領域Ａの配線が領域Ｂの配線よりも密に配置されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0044】
図１４に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有する。この配線構造において、領域Ａの配線及び領域Ｂの配線がそれぞれ直列に配設されており、且つ領域Ａの配線が、領域Ｂの配線よりも密に配置されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0045】
図１５に示す電熱部３０は、領域Ａと領域Ｂとが電気的に直列に配設された配線構造を有する。この配線構造において、領域Ａの配線及び領域Ｂの配線がそれぞれ並列に配設されており、且つ領域Ａの配線が、領域Ｂの配線よりも粗に配置されている。このような構成とすることにより、所定の電力量で領域Ｂよりも領域Ａが発熱し易くなるため、領域Ａの表面温度と領域Ｂの表面温度との差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0046】
また、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置用混合器における電熱部３０の配線構造の一例を図１６及び１７に示す。なお、図１６は、排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図であり、電熱部３０の配線構造を点線で表している。また、図１７は、図１６におけるｃ－ｃ’線の断面図である。このような構造とすることにより、所定の電力量で排ガス流出側の領域よりも排ガス流入側の領域が発熱し易くなるため、これらの領域における表面温度の差を小さくするとともに、無駄な消費電力を削減することができる。
【0047】
上記のような構造を有する混合器１Ａ，１Ｂは、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。例えば、外筒１０及びフィン２０の成形時に電熱部３０を埋設し、その後に焼成することによって製造することができる。
成形方法としては、特に限定されず、粉末加圧成形、鋳込み、射出成形、テープ成形、特許第４５３６９４３号公報で示されるようなスラリーを固化させる成形方法などを用いることができる。
粉末加圧成形では、所定の形状を有する型にセラミックス原料粉末を入れて加圧成形し、その上に電熱部３０を載置した後、セラミックス原料粉末を更に入れて加圧成形することにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
テープ成形では、セラミックス原料を含むスラリーをテープ状に成形し、その成形体の一部に電熱部３０を印刷したものを積層することにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
スラリーを固化させる成形方法では、電熱部３０を型内に設置した後、セラミックス原料を含むスラリーを型内に入れて固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。或いは、成形体上に電熱部３０を形成した後、セラミックス原料を含むスラリーで電熱部３０を覆って固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。或いは、電熱部３０に対応する形状のワックス部材を型に設置し、セラミックス原料を含むスラリーを注型して固化させ、ワックス部材を溶融除去することで中空部を有する成形体を得た後、中空部に電熱部３０の材料を含むスラリー又はペーストを注入して固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
また、焼成条件は、特に限定されず、使用するセラミックス原料に応じて適宜調整すればよい。
成形方法としては、特に限定されず、粉末加圧成形、鋳込み、射出成形、テープ成形、特許第４５３６９４３号公報で示されるようなスラリーを固化させる成形方法などを用いることができる。
粉末加圧成形では、所定の形状を有する型にセラミックス原料粉末を入れて加圧成形し、その上に電熱部３０を載置した後、セラミックス原料粉末を更に入れて加圧成形することにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
テープ成形では、セラミックス原料を含むスラリーをテープ状に成形し、その成形体の一部に電熱部３０を印刷したものを積層することにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
スラリーを固化させる成形方法では、電熱部３０を型内に設置した後、セラミックス原料を含むスラリーを型内に入れて固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。或いは、成形体上に電熱部３０を形成した後、セラミックス原料を含むスラリーで電熱部３０を覆って固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。或いは、電熱部３０に対応する形状のワックス部材を型に設置し、セラミックス原料を含むスラリーを注型して固化させ、ワックス部材を溶融除去することで中空部を有する成形体を得た後、中空部に電熱部３０の材料を含むスラリー又はペーストを注入して固化させることにより、電熱部３０を成形体内に埋設することができる。
また、焼成条件は、特に限定されず、使用するセラミックス原料に応じて適宜調整すればよい。
【0048】
上記のようにして製造される混合器１Ａ，１Ｂは、外筒１０及びフィン２０が、熱容量が小さい絶縁性セラミックスから形成されているため、電熱部３０に通電することによって迅速に加熱することができ、消費電力も少ない。したがって、混合器１Ａ，１Ｂは、排ガス温度が低い場合に、電熱部３０を通電して混合器１Ａ，１Ｂを迅速に加熱することができるため、尿素の分解反応を効率的に進めることができる。また、電熱部３０は、外筒１０及びフィン２０に埋設されているため、尿素が付着しないため錆び難く、その性能を長期にわたって維持することができる。
【0049】
（排ガス浄化装置）
図１８は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の断面図である。
図１８に示されるように、排ガス浄化装置１００は、排気筒１１０と、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂと、圧縮弾性部材１２０と、第１コネクタ部材１３０と、第２コネクタ部材１３１と、尿素噴射ノズル１４０と、ＳＣＲ触媒１５０とを備えている。
図１８は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の断面図である。
図１８に示されるように、排ガス浄化装置１００は、排気筒１１０と、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂと、圧縮弾性部材１２０と、第１コネクタ部材１３０と、第２コネクタ部材１３１と、尿素噴射ノズル１４０と、ＳＣＲ触媒１５０とを備えている。
【0050】
排気筒１１０は、各種エンジンなどから排出される排ガス（ＮＯｘを含有する排ガス）が流通可能な配管である。排気筒１１０の大きさは、特に限定されず、エンジンなどの排気系の種類に応じて適宜決定することができる。
【0051】
排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂは、尿素噴射ノズル１４０よりも下流側且つＳＣＲ触媒１５０よりも上流側の排気筒１１０内に配置されていることが好ましい。
なお、図１８では、排気筒１１０内に１つの排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂが配置されているが、２つ以上の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂが配置されていてもよい。
なお、図１８では、排気筒１１０内に１つの排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂが配置されているが、２つ以上の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂが配置されていてもよい。
【0052】
圧縮弾性部材１２０は、排気筒１１０と排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂとの間に設けられている。圧縮弾性部材１２０は、クッション性を有しており、圧縮状態で配設することにより、排気筒１１０内の所定の位置に排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂを保持させることができる。
【0053】
圧縮弾性部材１２０としては、特に限定されないが、セラミックス繊維マットであることが好ましい。ここで、セラミックス繊維マットとは、セラミックス繊維から形成されたマットのことを意味する。
セラミックス繊維マットとしては、アルミナ、ムライト、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、チタニア又はこれらの複合物からなるセラミックス繊維を主成分とするものが好ましい。その中でもアルミナ又はムライトを主成分とする無膨張性マットを用いることがより好ましい。
セラミックス繊維マットとしては、アルミナ、ムライト、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、チタニア又はこれらの複合物からなるセラミックス繊維を主成分とするものが好ましい。その中でもアルミナ又はムライトを主成分とする無膨張性マットを用いることがより好ましい。
【0054】
第１コネクタ部材１３０は、外部電源１６０に接続されるように構成され、且つ排気筒１１０と電気絶縁されている。第１コネクタ部材１３０と外部電源１６０との間は、一般的に、電線などを介して接続されている。また、第１コネクタ部材１３０は、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの電熱部３０と電気的に接続されている。第１コネクタ部材１３０を設けることにより、漏電を抑制することができる。第１コネクタ部材１３０は、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの電気接続用端子４０と接続されていることがより好ましい。
【0055】
第２コネクタ部材１３１は、排気筒１１０に接地されるように構成されている。第２コネクタ部材１３１と排気筒１１０との間は、一般的に、電線などを介して接続されている。また、第２コネクタ部材１３１は、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの電熱部３０と電気的に接続されている。第２コネクタ部材１３１を設けることにより、漏電による感電を抑制することができる。
【0056】
尿素噴射ノズル１４０は、排気筒１１０内に尿素を噴射するための部品である。尿素噴射ノズル１４０は、尿素を収容するタンク（図示していない）などに接続されており、尿素を排気筒１１０内の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂに噴射する。
尿素噴射ノズル１４０としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
尿素噴射ノズル１４０としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
【0057】
ＳＣＲ触媒１５０は、尿素が噴射される位置よりも下流側の排気筒１１０に配置される。ＳＣＲ触媒１５０は、触媒体（ＳＣＲ触媒１５０が担持されたハニカム構造体）の状態であることが好ましい。
ＳＣＲ触媒１５０の例としては、バナジウム系触媒やゼオライト系触媒などを挙げることができる。
ＳＣＲ触媒１５０を、ハニカム構造体に担持された触媒体として使用する場合には、当該触媒体を容器内に収納して装着することが好ましい。
ＳＣＲ触媒１５０を担持するハニカム構造体は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
ＳＣＲ触媒１５０の例としては、バナジウム系触媒やゼオライト系触媒などを挙げることができる。
ＳＣＲ触媒１５０を、ハニカム構造体に担持された触媒体として使用する場合には、当該触媒体を容器内に収納して装着することが好ましい。
ＳＣＲ触媒１５０を担持するハニカム構造体は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
【0058】
なお、図１８では、排気筒１１０内にそれぞれ１つの尿素噴射ノズル１４０及びＳＣＲ触媒１５０が配置されているが、尿素噴射ノズル１４０及びＳＣＲ触媒１５０をそれぞれ２つ以上としてもよい。例えば、排気筒１１０内に２つ以上の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂを配置する場合、尿素噴射ノズル１４０及びＳＣＲ触媒１５０をそれぞれ２つ以上とすることが好ましい。この場合、各排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂは、１つの尿素噴射ノズル１４０と１つのＳＣＲ触媒１５０との間（１つの尿素噴射ノズル１４０よりも下流側且つ１つのＳＣＲ触媒１５０よりも上流側）の排気筒１１０内に配置される。例えば、２つの排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂを排気筒１１０内に配置する場合、第１の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂは、第１の尿素噴射ノズル１４０よりも下流側且つ第１のＳＣＲ触媒１５０よりも上流側の排気筒１１０内に配置され、第２の排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂは、第２の尿素噴射ノズル１４０よりも下流側且つ第２のＳＣＲ触媒１５０よりも上流側の排気筒１１０内に配置される。
【0059】
尿素噴射ノズル１４０よりも上流側の排気筒１１０には、排ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタが配置されていてもよい。粒子状物質を捕集するためのフィルタとしては、例えば、ハニカム形状のセラミックス製のＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）が挙げられる。
また、尿素噴射ノズル１４０よりも上流側の排気筒１１０には、排ガス中の炭化水素や一酸化炭素を除去するための酸化触媒が配置されていてもよい。酸化触媒は、セラミックス製のハニカム構造体に担持された状態（酸化触媒体）で用いられる。酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属が好適に用いられる。
また、尿素噴射ノズル１４０よりも上流側の排気筒１１０には、排ガス中の炭化水素や一酸化炭素を除去するための酸化触媒が配置されていてもよい。酸化触媒は、セラミックス製のハニカム構造体に担持された状態（酸化触媒体）で用いられる。酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属が好適に用いられる。
【0060】
ＳＣＲ触媒１５０よりも下流側の排気筒１１０には、ＮＨ3を除去するためのアンモニア除去触媒（酸化触媒）が配置されていてもよい。このような構成とすることより、排ガス中のＮＯｘの除去に使用されなかった余分なＮＨ3が下流側に流れた際に、そのＮＨ3が外部に排出されることを防止することができる。アンモニア除去触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの貴金属が好適に用いられる。
【0061】
上記のような構造を有する排ガス浄化装置１００を用いた排ガス浄化方法は、排ガス温度が所定値以上の高い温度のときは、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの電熱部３０に通電しない状態で尿素をフィン２０に噴射し、排ガス温度が所定値未満の低い温度のときは、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの電熱部３０に通電した状態で尿素をフィン２０に噴射することによって行われる。
ここで、本明細書において、排ガス温度の所定値とは、噴射された尿素からアンモニアへの分解が排ガスによって十分量行われる温度のことを意味する。
排ガス温度が所定値以上の高い温度である場合、尿素噴射ノズル１４０から排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂに噴射された尿素は、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂのフィン２０と衝突して周囲に飛散して排ガス中に分散され、ＮＨ3に分解される。
一方、排ガス温度が所定値未満の低い温度である場合、外部電源１６０から電熱部３０に通電して排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの外筒１０及びフィン２０が迅速に加熱されるため、これらと接触した尿素はＮＨ3に分解されて排ガス中に分散される。排ガス中に分散されたＮＨ3は、ＳＣＲ触媒１５０において還元剤として用いられ、排ガス中のＮＯｘが水と窒素に還元して浄化される。
ここで、本明細書において、排ガス温度の所定値とは、噴射された尿素からアンモニアへの分解が排ガスによって十分量行われる温度のことを意味する。
排ガス温度が所定値以上の高い温度である場合、尿素噴射ノズル１４０から排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂに噴射された尿素は、排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂのフィン２０と衝突して周囲に飛散して排ガス中に分散され、ＮＨ3に分解される。
一方、排ガス温度が所定値未満の低い温度である場合、外部電源１６０から電熱部３０に通電して排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂの外筒１０及びフィン２０が迅速に加熱されるため、これらと接触した尿素はＮＨ3に分解されて排ガス中に分散される。排ガス中に分散されたＮＨ3は、ＳＣＲ触媒１５０において還元剤として用いられ、排ガス中のＮＯｘが水と窒素に還元して浄化される。
【0062】
排ガス浄化装置１００は、錆び難く、少ない電力で効率良く加熱することが可能な排ガス浄化装置用混合器１Ａ，１Ｂを用いているため、排ガス温度が低い場合でも、少ない電力で長期にわたって良好なＮＯｘの浄化性能を得ることができる。
【実施例】
【0063】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【0064】
（実施例１）
長さ４０ｍｍ、外径６０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円筒状の外筒１０の内側に、長さ（外筒１０の軸方向に平行な長さ）４０ｍｍ、高さ（外筒１０の径方向の長さ）２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのフィンを９０°間隔で４枚設け、外筒１０及び４枚のフィン２０の厚さ方向中央部に厚さ０．１ｍｍの電熱部３０を埋設した排ガス浄化装置用混合器とした。この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図を図１９に示す。なお、図１９では、理解し易くする観点から、埋設された電熱部も図示している。外筒１０及びフィン２０の材質は窒化珪素とした。
長さ４０ｍｍ、外径６０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円筒状の外筒１０の内側に、長さ（外筒１０の軸方向に平行な長さ）４０ｍｍ、高さ（外筒１０の径方向の長さ）２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのフィンを９０°間隔で４枚設け、外筒１０及び４枚のフィン２０の厚さ方向中央部に厚さ０．１ｍｍの電熱部３０を埋設した排ガス浄化装置用混合器とした。この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図を図１９に示す。なお、図１９では、理解し易くする観点から、埋設された電熱部も図示している。外筒１０及びフィン２０の材質は窒化珪素とした。
【0065】
（比較例１）
長さ４０ｍｍ、外径６０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円筒状の外筒１０の内側に、長さ（外筒１０の軸方向に平行な長さ）４０ｍｍ、高さ（外筒１０の径方向の長さ）２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのフィンを９０°間隔で４枚設け、外筒１０の外周部に厚さ０．１ｍｍの電熱部３０を設けた排ガス浄化装置用混合器とした。この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図を図２０に示す。外筒１０及びフィン２０の材質はＳＵＳ４３０とした。
長さ４０ｍｍ、外径６０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円筒状の外筒１０の内側に、長さ（外筒１０の軸方向に平行な長さ）４０ｍｍ、高さ（外筒１０の径方向の長さ）２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのフィンを９０°間隔で４枚設け、外筒１０の外周部に厚さ０．１ｍｍの電熱部３０を設けた排ガス浄化装置用混合器とした。この排ガス浄化装置用混合器の排ガス流入側からみた正面図を図２０に示す。外筒１０及びフィン２０の材質はＳＵＳ４３０とした。
【0066】
上記の実施例１及び比較例１の排ガス浄化装置用混合器について、加熱シミュレーションを行った。加熱シミュレーションを行う際の使用ソフトとしては、Ａｎｓｙｓ ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ１９．１を用い、シミュレーション条件は、ソルバータイプ：圧力ベースソルバー、乱流モデル：低レイノルズ形ＳＳＴ（Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）ｋ－ωとした。加熱シミュレーションでは、窒化珪素について密度を３．２ｇ／ｃｍ3、熱容量を７００Ｊ／ｋｇＫ、熱伝導率を６０Ｗ／ｍＫとし、ＳＵＳ４３０について密度を７．７ｇ／ｃｍ3、熱容量を４６０Ｊ／ｋｇＫ、熱伝導率を２６Ｗ／ｍＫとして計算を行った。
加熱シミュレーションでは、３００Ｗを印加した場合に、２７℃のガスが流量２Ｎｍ3／分で排ガス浄化装置用混合器に入った際のガス流れ部の表面温度を比較した。ガス流れ部の表面の最低温度は、実施例１では２５４℃であったのに対し、比較例１では１２０℃と低くなった。また、比較例１では、図２１に示されるように、フィンの広い領域で２００℃以下の領域が存在した（図２１では、１３１℃付近～２００℃までの温度分布を示している）。なお、図示していないが、実施例１では表面の最低温度が２００℃以上であるため、２００℃以下の領域は存在しなかった。
したがって、実施例１の排ガス浄化装置用混合器は、比較例１の排ガス浄化装置用混合器に比べて省エネルギーで加熱することができる。また、実施例１の排ガス浄化装置用混合器は、尿素水の熱分解、加水分解によってＮＨ3を生成可能な温度域まで容易に加熱することができる。
加熱シミュレーションでは、３００Ｗを印加した場合に、２７℃のガスが流量２Ｎｍ3／分で排ガス浄化装置用混合器に入った際のガス流れ部の表面温度を比較した。ガス流れ部の表面の最低温度は、実施例１では２５４℃であったのに対し、比較例１では１２０℃と低くなった。また、比較例１では、図２１に示されるように、フィンの広い領域で２００℃以下の領域が存在した（図２１では、１３１℃付近～２００℃までの温度分布を示している）。なお、図示していないが、実施例１では表面の最低温度が２００℃以上であるため、２００℃以下の領域は存在しなかった。
したがって、実施例１の排ガス浄化装置用混合器は、比較例１の排ガス浄化装置用混合器に比べて省エネルギーで加熱することができる。また、実施例１の排ガス浄化装置用混合器は、尿素水の熱分解、加水分解によってＮＨ3を生成可能な温度域まで容易に加熱することができる。
【0067】
（実施例２）
排ガス浄化装置用混合器を流通する排ガスの流れに対して、上流側に位置する領域Ａの発熱密度が、下流側に位置する領域Ｂの発熱密度よりも大きくなるように電熱部を設け、印加する電圧を、領域Ａ：領域Ｂが約２：１の割合になるようにするとともに、外筒１０及びフィン２０の材質をコージェライトとしたこと以外は、実施例１と同様にして排ガス浄化装置用混合器を得た。
排ガス浄化装置用混合器を流通する排ガスの流れに対して、上流側に位置する領域Ａの発熱密度が、下流側に位置する領域Ｂの発熱密度よりも大きくなるように電熱部を設け、印加する電圧を、領域Ａ：領域Ｂが約２：１の割合になるようにするとともに、外筒１０及びフィン２０の材質をコージェライトとしたこと以外は、実施例１と同様にして排ガス浄化装置用混合器を得た。
【0068】
（実施例３）
領域Ａ及びＢの発熱密度が同じ電熱部を設けたこと以外は実施例１と同様にして排ガス浄化装置用混合器を得た。
領域Ａ及びＢの発熱密度が同じ電熱部を設けたこと以外は実施例１と同様にして排ガス浄化装置用混合器を得た。
【0069】
上記の実施例２及び３の排ガス浄化装置用混合器について、加熱シミュレーションを行った。加熱シミュレーションを行う際の使用ソフトとしては、Ａｎｓｙｓ ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ１９．１を用い、シミュレーション条件は、ソルバータイプ：圧力ベースソルバー、乱流モデル：低レイノルズ形ＳＳＴ（Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）ｋ－ωとした。加熱シミュレーションでは、コージェライトについて密度を２．５ｇ／ｃｍ3、熱容量を６３０Ｊ／ｋｇＫ、熱伝導率を４．４Ｗ／ｍＫとして計算を行った。
加熱シミュレーションでは、３００Ｗを印加した場合に、２７℃のガスが流量２Ｎｍ3／分で排ガス浄化装置用混合器に入った際のガス流れ部の表面温度を比較した。実施例２におけるガス流れ部の表面の最低温度は、領域Ａが２０２℃、領域Ｂが２９３℃であったのに対し、実施例３におけるガス流れ部の表面の最低温度は、領域Ａが１０２℃、領域Ｂが２２５℃であった。また、図２２に示されるように、実施例３では、フィンの広い領域（特に領域Ａ）で２００℃以下となったのに対し、実施例２では、２００℃以下となる領域は確認されなかった。
したがって、実施例２の排ガス浄化装置用混合器は、実施例３の排ガス浄化装置用混合器に比べて、より省エネルギーで加熱することができる。また、実施例２の排ガス浄化装置用混合器は、尿素水の熱分解、加水分解によってＮＨ3を生成可能な温度域まで容易に加熱することができる。
加熱シミュレーションでは、３００Ｗを印加した場合に、２７℃のガスが流量２Ｎｍ3／分で排ガス浄化装置用混合器に入った際のガス流れ部の表面温度を比較した。実施例２におけるガス流れ部の表面の最低温度は、領域Ａが２０２℃、領域Ｂが２９３℃であったのに対し、実施例３におけるガス流れ部の表面の最低温度は、領域Ａが１０２℃、領域Ｂが２２５℃であった。また、図２２に示されるように、実施例３では、フィンの広い領域（特に領域Ａ）で２００℃以下となったのに対し、実施例２では、２００℃以下となる領域は確認されなかった。
したがって、実施例２の排ガス浄化装置用混合器は、実施例３の排ガス浄化装置用混合器に比べて、より省エネルギーで加熱することができる。また、実施例２の排ガス浄化装置用混合器は、尿素水の熱分解、加水分解によってＮＨ3を生成可能な温度域まで容易に加熱することができる。
【符号の説明】
【0070】
１Ａ，１Ｂ 排ガス浄化装置用混合器
１０ 外筒
２０ フィン
３０ 電熱部
４０ 電気接続用端子
５０ 引き出し部
１００ 排ガス浄化装置
１１０ 排気筒
１２０ 圧縮弾性部材
１３０ 第１コネクタ部材
１３１ 第２コネクタ部材
１４０ 尿素噴射ノズル
１５０ ＳＣＲ触媒
１６０ 外部電源
１０ 外筒
２０ フィン
３０ 電熱部
４０ 電気接続用端子
５０ 引き出し部
１００ 排ガス浄化装置
１１０ 排気筒
１２０ 圧縮弾性部材
１３０ 第１コネクタ部材
１３１ 第２コネクタ部材
１４０ 尿素噴射ノズル
１５０ ＳＣＲ触媒
１６０ 外部電源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
