JP7210365B2 - ベーパライザおよびこれを備える流体供給装置 - Google Patents

Description

本開示は、ベーパライザおよびこれを備える流体供給装置に関する。

燃料タンク供給される液体ＬＰＧを気化し、気化ＬＰＧをエンジンに供給する燃料供給装置が知られている。そして、液体ＬＰＧの気化には、ベーパライザが用いられる。ベーパライザは、第１端から第２端に向かう第１方向に延びる外壁と、この外壁内において第１方向に流体が流れる気化部と、加熱部とを備える。

特許第４３７８６９８号公報

ベーパライザによる気化は、加熱部から受ける熱によって行なわれる。外壁および気化部は、稼動時に加熱により膨張し、その後（非稼動時）において収縮する。なお、非稼動時を基準にすれば、収縮ではなく、元の大きさに戻るということである。そして、流体供給装置においては、稼動、非稼動が繰り返されるものであることから、気化部を周方向において覆っている外壁は、優れた耐久性が求められる。

本開示は、このような事情を鑑みて案出されたものであり、耐久性に優れるベーパライザおよびこのベーパライザを備える流体供給装置を提供することを目的とする。

本開示のベーパライザは、第１端から第２端に向かう第１方向に延びる外壁と、該外壁内において前記第１方向に流体が流れる気化部と、加熱部と、を備え、前記外壁がセラミックスであるセラミックスからなる。

また、本開示の流体供給装置は、上記ベーパライザと、該ベーパライザの上流に位置する第１流路と、前記ベーパライザの下流に位置する第２流路と、を備える。

本開示のベーパライザは、耐久性に優れる。

また、本開示の流体供給装置は、耐久性に優れるベーパライザを備えることから、信頼性に優れる。

本開示のべーパライザの一例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。 本開示のべーパライザの他の例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。 本開示のべーパライザの他の例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。 本開示のべーパライザの他の例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。 本開示のべーパライザの他の例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。 本開示の流体供給装置の一例を示す模式図である。

本開示のベーパライザについて、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。図１～図５は、本開示のべーパライザの例を示す、流体の流れる方向に沿った断面図である。なお、流体の流路方向とは、矢印で図示した方向であり、図において下から上の方向である。また、以下において、流体の流れる方向に沿ったベーパライザの中心軸に近づく方が「内」、離れる方が「外」であり、部材の中に位置する場合は、「中」と記載して説明する。

本開示のベーパライザ１０は、第１端から第２端に向かう第１方向に延びる外壁１と、外壁１内において第１方向に流体が流れる気化部２と、加熱部３とを備える。なお、図１において、第１端は下に位置し、第２端は上に位置し、下から上が流体の流れる方向であり、この方向が第１方向である。また、気化部２が位置する外壁１内とは、外壁１よりもベーパライザ１０の中心軸の近くに位置するというものであり、気化部２における第１端および第２端は、外壁１が覆っていてもよいし、覆っていなくてもよい。言い換えれば、気化部２の外周方向を覆っているものであればよい。

また、加熱部３は、気化部２を加熱することができるものであればよい。そのため、図１、３に示すように、外壁１よりも外に位置するものであってもよいし、図２、４、５のように、外壁１の中に位置していてもよい。

そして、本開示のベーパライザ１０は、外壁１がセラミックスである。これにより、本開示のベーパライザ１０は、稼動時の膨張、非稼動時の収縮が繰り返しに耐え得る優れた耐久性を有する。ここで、セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス、コージェライト質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたはムライト質セラミックス等が挙げられる。ここで、外壁１が炭化珪素質セラミックスであるときには、優れた耐久性に加えて、高い熱伝導率により、気化部２に効率よく熱を伝えることができる。

ここで、例えば、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、炭化珪素を７０質量％以上含有するものである。そして、外壁１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、外壁１を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により炭化珪素の存在が確認され、ＸＲＦで測定した珪素（Ｓｉ）の含有量から炭化珪素（ＳｉＣ）に換算した値が７０質量％以上であれば、炭化珪素質セラミックスである。なお、他のセラミックスに関しても、同じ方法で確認できる。

次に、気化部２は、図示における下が流体の入側であり、図示における上が流体の出側であり、入側から入った液体が、加熱部３からの熱によって気化され、出側から気体として排出する部位である。そのため、気化部２は、流体の流路を有するものである。なお、気化部２の幅（径）は１ｍｍ以上３ｍｍ以上であってもよい。

気化部２は、第１端を含む部位を第１部位２ａ、第２端を含む部位を第２部位２ｂとしたとき、第２部位２ｂにおける空隙率が、第１部位２ａにおける空隙率よりも低くてもよい。上記構成を満たすときには、流体が気化部２と触れる面積、言い換えれば気化部２の
比表面積が、第１部位２ａよりも第２部位２ｂの方が大きくなり、外壁１を通じて加熱部３から得られた熱の伝熱面積が増えることとなることから、気化効率に優れる。例えば、気化部２の第２部位２ｂの空隙率が、１０％以上３０％以下であれば、第１部位２ａの空隙率は、第２部位２ｂの空隙率よりも大きければよい。

また、気化部２の第１部位２ａの空隙の平均円相当径は１μｍ以上５００μｍ以下、第２部位２ｂの空隙径は０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。空隙の平均円相当径は、気化部２をベーパライザ１０から切り出し、市販の画像解析ソフトを用いて、空隙を対象とした平均円相当径を算出することで求めることができる。

また、気化部２は、第１端から第２端に向かって空隙率が漸減していてもよい。ここで、漸減とは、気化部２を第１方向の長さにおいて３等分し、第１端を含む部位を第１部位２ａ、第２端を含む部位を第２部位２ｂ、第１部位２ａおよび第２部位２ｂの間の部位を第３部位２ｃとし、空隙率の値の関係が、第１部位２ａ＞第３部位２ｃ＞第２部位２ｂの関係を満たすことをいう。上記構成を満たすときには、流体が液体から気体へと変化するに合わせて空隙率が変化し、流体の流れがスムーズになることから、さらに気化効率に優れる。

また、外壁２は、第２端における厚みが、第１端における厚みよりも薄くてもよい。この構成の一例を図３に示す。図３に示す外壁１ａは、第２端における厚みが、第１端における厚みよりも薄い。このように、２端における厚みが、第１端における厚みよりも薄いときには、加熱部３を気化部２における第２端の方に近くなるように加熱部３を配置することができ、これにより、気化効率が向上する。

また、図４に示すように、気化部２を第１端から第２端に向かって径が大きい気化部２ａと、外壁１を第１端から第２端に向かって内径が小さくなる外壁１ｂとの組み合わせであってもよい。このような組み合わせのベーパライザ１３は、外壁１の外径が同じでありながら、優れた気化効率を備える。また、加熱部３が、外壁１ｂの中に位置する加熱部３ａであるときには、搭載装置の配置効率にも優れる。

また、図５に示すベーパライザ１４のように、加熱部３を複数有するものであってもよい。具体的には、外壁１の外に位置する加熱部３と、外壁１の中に位置する加熱部３ａとを有するものであってもよい。そして、加熱部３ａを第２端に近い位置に配置すれば、気化効率を向上させることができる。さらには、図示していないが、外壁１の中において、第１端の近くに位置する加熱部３ａ（以下においては加熱部３ａａと記載する。）と、第２端の近くに位置する加熱部３ａ（以下においては加熱部３ａｂと記載する。）とをそれぞれ設け、加熱部３ａａと加熱部３ａｂとの熱量を異ならせる構成としてもよい。

気化部２は、複数の金属粒子が網目状に繋がっているものであってもよい。言うまでもないが、気化部２における網目状部分が流体の流路である。ここで、金属の熱膨張係数は、セラミックスの熱膨張係数に比べて大きいものの、複数の金属粒子が網目状に繋がっているときには、熱による膨張量は小さい。そのため、このような構成を満たしているときには、セラミックスからなる外壁１と複数の金属粒子が網目状に繋がっている気化部２との熱膨張差が小さいことから、稼動時の膨張と非稼動時の収縮とが繰り返されても、外壁１に亀裂が生じにくいため、耐久性に優れる。

セラミックスの熱膨張係数は、一般的に、酸化アルミニウム質セラミックスが７．２ｐｐｍ程度、炭化珪素質セラミックスが３．７ｐｐｍ程度、コージェライト質セラミックスが１．５ｐｐｍ程度、窒化珪素質セラミックスが２．８ｐｐｍ程度、窒化アルミニウム質セラミックスが４．６ｐｐｍ程度、ムライト質セラミックスが５．０ｐｐｍ程度である。

気化部２が、複数の金属粒子が網目状に繋がっているものであるとき、金属粒子の材質は、例えば、ＳＵＳまたは銅等である。なお、ＳＵＳの一般的な熱膨張係数は、例えばＳＵＳ４３０であれば、１０．４ｐｐｍ程度であり、銅の一般的な熱膨張係数は１６．７ｐｐｍ程度である。なお、重複するが、熱膨張係数の値では、セラミックスと金属では異なっているものの、複数の金属粒子が網目状に繋がっているときには、熱による膨張量は小さく、外壁１の内周を圧迫する力（応力）は小さい。

金属粒子の形状は、球状または針状であってもよい。ここで、金属粒子の大きさは、金属粒子が球状であるときには、直径が０．５μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。金属粒子が針状であるときには、直径が１μｍ以上５０μｍ以下、長さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。

そして、気化部２が、複数の金属粒子が網目状に繋がっているとき、気化部２の空隙率は、例えば、アルキメデス法を用いて測定することができる。

また、気化部２が、複数の金属粒子が網目状に繋がっているとき、外壁１および気化部２の間には、接合層を有するものであってもよい。このような構成を満たすときには、接合層により金属粒子が外壁１から剥がれにくくなり、外壁１と金属粒子との熱膨張係数差に起因して発生する応力を接合層が緩和し、外壁１に亀裂が生じにくくなる。

接合層は、金属およびガラスのいずれかであってもよい。ここで、金属としては、例えば、ニッケル、白金または銅等であり、ガラスとしては、例えば、ホウ硅酸系ガラスまたは珪酸系ガラス等であればよい。また、接合層の平均厚みは、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である。

また、気化部２は、セラミック多孔体であってもよい。ここで、セラミック多孔体とは、多孔質のセラミックスのことである。気化部２がセラミック多孔体であるときには、不揮発成分の吸着により、排出される気体において不揮発成分が少ないため、気体が燃料となるものであるとき燃焼効率に優れる。

また、気化部２が、セラミック多孔体であるとき、外壁１と同じセラミックスであってもよい。ここで、同じセラミックスとは、材質が同じということである、具体的には、外壁１が炭化珪素質セラミックスであるとき、セラミック多孔体も炭化珪素質セラミックスであれば、同じということである。さらには、含有成分および含有量までも近いものであるときには、熱膨張係数が近似することから、稼動時の膨張の際に、気化部２に亀裂が生じにくいため、気化部２も耐久性に優れる。

次に、本開示の流体供給装置について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。図６は、本開示の流体供給装置の一例を示す模式図である。なお、この図においては、図２に示すベーパライザ１１を備える例として説明する。

本開示の流体供給装置２０は、ベーパライザ１１と、ベーパライザ１１の上流に位置する第１流路１５と、ベーパライザ１１の下流に位置する第２流路１６と、を備える。なお、第１流路１５は、さらに上流に位置する液体タンクに繋がっている。また、第２流路１６は、さらに下流において気体を燃料として燃焼するエンジンに繋がるものである。

本開示の流体供給装置２０は、耐久性に優れるベーパライザを備えることから、長期間に亘る使用に耐え得るものであるため、信頼性に優れる。

次に、本開示のベーパライザの製造方法の一例について説明する。

まず、主成分となる原料（酸化アルミニウム、炭化珪素等）の粉末に、焼結助剤、バインダおよび溶媒等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、積層により外壁となる形状とする場合には、上記スラリーを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施すことにより所望形状のシートとする。または、上記スラリーを噴霧乾燥して、造粒された顆粒を得た後、この顆粒を圧延することでグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施すことにより所望形状のシートとする。

次に、得られたシートを積層することによって、気化部が位置することとなる貫通孔を有する成形体を得る。なお、外壁の中に、加熱部領域を設けるときには、所望のシートに加熱部領域の一部となる部分を形成し、積層することによって加熱部領域を形成すればよい。

また、気化部が位置することとなる貫通孔を有する外壁となる成形体を得るのであれば、上記顆粒をゴム型に充填し、水圧により等方的に加圧（冷間等方圧加圧法：ＣＩＰ法）することにより、ブロック状の成形体を形成し、切削加工により所望形状としてもよい。

そして、得られた成形体を焼成することにより、外壁を得ることができる。

次に、ＳＵＳまたは銅等からなる複数の金属粒子を水に混合した混合液を準備する。そして、外壁における貫通孔の一方の開口部に水が通るフィルターを設けた後、貫通孔の他方の開口部から圧力をかけながら混合液を流し込む。その後、乾燥させることで、外壁の貫通孔内に複数の金属粒子が残った状態となる。

次に、外壁を加熱するか、外壁に超音波振動を与えることにより、金属粒子同士を接合させ、複数の金属粒子が網目状に繋がっている気化部を形成することができる。なお、金属粒子に電気を流すことで、金属粒子同士を接合させることもできる。

また、外壁および気化部の間に接合層を形成するには、接合層を金属で構成する場合、貫通孔を有する外壁を得た後、無電解めっきにより、金属からなる接合層を貫通孔の内壁に形成する。接合層をガラスで構成する場合には、ガラスを主成分としたペーストを貫通孔に流し込むことで貫通孔の内壁にペーストを塗布した後、乾燥または熱処理を行なうことで、ガラスからなる接合層を貫通孔の内壁に形成する。

そして、外壁における貫通孔の一方の開口部に水が通るフィルターを設けた後、貫通孔の他方の開口部から圧力をかけながら混合液を流し込み、乾燥させる。その後、外壁を加熱するか、外壁に超音波振動を与えることにより、金属粒子同士と金属粒子および接合層とを接合させ、貫通孔の内壁に接する接合層を有する電極を備えた電極内蔵構造体を得る。なお、接合層を金属で構成する場合には、接合層に電気を流すことで、金属粒子同士と金属粒子および接合層とを接合させることもできる。

また、気化部をセラミック多孔体で形成するときには、セラミック多孔体成形体を形成し、外壁となる成形体における貫通孔にセラミック多孔体を嵌めた後、もしくは、得られたシートを積層することによって、気化部が位置することとなる溝を有する成形体を得てから、その溝に対しセラミック多孔成形体を配置するか、セラミックス原料の濃度を調整したスラリーをディスペンサなどで塗布し、シートを被せるように積層した後、焼成すればよい。

そして、加熱部を外壁の外に設けるときには、加熱部となるヒータを用意し、気化部と、気化部の外周に外壁を備える外にヒータを配置すればよい。

また、外壁の中に加熱部を設けるときには、外壁となる成形体に設けておいた加熱部領域に相当する、焼成後における穴に、加熱部となるヒータを挿入すればよい。さらには、外壁となる成形体に設けておいた加熱部領域に、ヒータとすることができるペーストを流し込み、乾燥の後に外壁となる成形体とともに焼成することによって、加熱部であるヒータを設けてもよい。なお、外壁となる成形体と同時焼成でなくとも、外壁となる成形体に設けておいた加熱部領域に相当する、焼成後における穴に、ペーストを流し込み、乾燥および熱処理することで加熱部であるヒータを設けてもよい。

また、本開示の流体供給装置は、所望の大きさの管状の部材を用意し、ベーパライザの気化部の上流および下流において繋がるように、上記部材を取り付けることにより、形成することができる。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

１：外壁
２：気化部
３：加熱部
１０～１４：ベーパライザ
１５：第１流路
１６：第２流路
２０：流体供給装置

Claims (9)

1. 第１端から第２端に向かう第１方向に延びる外壁と、該外壁内において前記第１方向に流体が流れる気化部と、加熱部と、を備え、
   前記外壁がセラミックスであり、
   前記外壁は、前記第２端における厚みが、前記第１端における厚みよりも薄い、ベーパライザ。
2. 前記気化部は、前記第１端を含む部位を第１部位、前記第２端を含む部位を第２部位としたとき、該第２部位における空隙率が、前記第１部位における空隙率よりも低い、請求項１に記載のベーパライザ。
3. 前記気化部は、前記第１端から前記第２端に向かって空隙率が漸減している、請求項１または請求項２に記載のベーパライザ。
4. 前記気化部が、複数の金属粒子が網目状に繋がっている、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のベーパライザ。
5. 前記外壁および前記気化部の間に接合層を有する、請求項４に記載のベーパライザ。
6. 前記接合層は、金属またはガラスからなる、請求項５に記載のベーパライザ。
7. 前記気化部が、セラミック多孔体である、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のベーパライザ。
8. 前記セラミック多孔体が、前記外壁と同じセラミックスである、請求項７に記載のベーパライザ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載のベーパライザと、
   該ベーパライザの上流に位置する第１流路と、
   前記ベーパライザの下流に位置する第２流路と、を備える流体供給装置。

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